CN114801237B - 一种全高度包边夹芯复合材料制件的成型方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及复合材料制造成型技术领域，公开了一种全高度包边夹芯复合材料制件的成型方法，通过蒙皮实现芯材侧面自包边，可代替传统采用糊状胶封边的加工方法，避免引起封边过程中胶层厚度不均、裹入气泡以及结构增重等问题，并且相较于传统二次胶接工艺，制造成本也更低。

Description

一种全高度包边夹芯复合材料制件的成型方法
技术领域
本申请涉及复合材料制造成型技术领域，具体涉及一种使用真空袋-热压罐工艺的全高度包边夹芯复材制件的成型方法。
背景技术
复合材料夹芯结构具有比强度、比刚度高的特点，在航空航天领域中被广泛应用。常见的夹芯复合材料制件结构由上蒙皮、下蒙皮和夹芯（可以是蜂窝芯、泡沫芯）通过胶黏剂组合而成。目前，民用飞机上主、次承力结构中的夹芯复合材料制件需要倒角和加工斜面，目的是防止夹芯在成型过程中受到侧向压力而导致的压缩现象，但仍然有一些结构需要使用全高度芯材，最大限度实现结构装配和结构减重，这种结构往往夹芯边缘呈现90°角度（如附图1所示），为了避免芯材或泡沫芯吸湿，常常对夹芯复合材料制件的边缘使用糊状胶黏剂进行封边处理，但是会带来如下的问题：（1）封边厚度容易出现不均匀，边缘面轮廓度达不到要求；（2）糊状胶黏剂搅拌或施工时容易混入气泡；（3）对于大尺寸芯格的芯材，往往需要使用大量的胶黏剂才能实现边缘封闭，导致结构重量大大增加。
目前，夹芯复合材料制件最常用的成型方法是真空袋-热压罐成型法，通常采用二次胶接、共胶接及共固化三种工艺。其中，二次胶接工艺上、下蒙皮需分别经过固化后与芯材进行胶接，而已固化蒙皮与芯材配合关系复杂，容易出现脱粘等内部质量问题，制造成本高，周期长，一般适用于双面气动要求极高的制件，目前在民用飞机上极少使用；共固化工艺上、下蒙皮与蜂窝通过胶黏剂一次固化成型，制造成本低，周期短，在飞机翼面、舵面等夹芯件上使用非常广泛，但对于全高度需包边的夹芯复合材料制件来说，为了防止芯材边缘受到侧向压力而导致收缩，必须在芯材侧面安放挡块，所带来的问题则是芯材侧面蒙皮无法受到压力而引起无损问题。目前，国内对全高度包边夹芯复合材料制件成型工艺研究较少，限制了该结构在航空航天领域的应用。
现有技术公开了“一种复合材料织物及其包边方法”的发明专利申请，其公开号为CN110654071A，公开日为2020年01月07日，具体的技术方案为：将最上层面料和/或次上层面料的边缘留出一定长度，并包裹住最下层面料的部分外表面形成包边；或者将最下层面料和/或次下层面料的边缘留出一定长度，并包裹住最上层面料的部分外表面形成反包边，得到具有完整包边的复合材料织物；由于采用了将面积较大的一侧最外层面料和/或次外层面料包裹面积较小的另一侧最外层面料边沿形成包边，使得积层或夹心复合材料织物的边缘得到了保护，避免了其边缘的开裂或二次物理损伤，也使得夹心复合材料与外界相隔离，克服了其泡沫芯材或蜂窝芯材的吸湿问题，明显提高了积层或夹心复合材料织物的综合使用性能，也明显提升了积层或夹心复合材料织物的使用寿命。
上述现有技术虽然也涉及复合材料的包边，但是该专利采用的包边方法并非是真空袋-热压罐成型，也不是同过胶接实现的，而是通过对织物边缘留出一定长度进行包裹，加热固化，无法提供平滑气动型面。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的问题和不足，本申请提出了一种使用真空袋-热压罐工艺的全高度包边夹芯复材制件的成型方法，旨在于代替传统糊状胶封边，同时解决全高度夹芯复合材料结构成型过程中芯材受到侧向压力导致的收缩、变形，以及蒙皮加压不足导致的无损异常的问题。
为了实现上述发明目的，本申请的技术方案具体如下：
一种全高度包边夹芯复合材料制件的成型方法，具体包括以下步骤：
a．准备下蒙皮的成型工装以及预浸料，在下蒙皮成型工装的表面粘贴脱模布或涂刷脱模剂，将预浸料裁切为待铺叠的料片；
b．按照既定的铺层及角度将料片铺叠至下蒙皮成型工装的表面，完成芯材下蒙皮铺叠成型，铺叠完成后组装封袋并将其送入热压罐内进行固化；
c．准备待成型的全高度复合材料蜂窝夹芯结构所使用的全高度芯材，芯材表面擦拭、清洗干净后，将芯材与下蒙皮进行校验；
d．将已固化的下蒙皮脱模，并对其待胶接面进行打磨，然后将下蒙皮重新定位至下蒙皮成型工装上；
e．在芯材底部对应胶接面铺叠板芯胶膜，接着在芯材90°侧面对应的胶膜面铺叠一层发泡胶，将芯材铺放至下蒙皮上并进行组装封袋，最后送入热压罐内进行预胶接；
f．预胶接的芯材及下蒙皮脱模后，将下蒙皮侧边高出芯材厚度部分切割或打磨掉，直至两者等高，然后又对下蒙皮与上蒙皮待胶接面进行打磨；
g．将芯材与下蒙皮粘接的组合结构铺放至胶接成型工装上，按照既定铺层结构依次在芯材区域铺叠板芯胶膜，在下蒙皮与上蒙皮待胶接区域铺叠板板胶膜后，再逐层铺叠上蒙皮，铺叠完成后组装封袋，并送入热压罐内进行胶接固化；
h．将已固化的上蒙皮、芯材及下蒙皮组合结构脱模，对组合结构的边缘进行修整，最终得到全高度包边夹芯复合材料制件。
进一步地，所述步骤c中，芯材与下蒙皮进行校验，包括：在芯材与下蒙皮内腔的底部平板连接区域放置校验膜后，将芯材安放至下蒙皮U型腔内组装封袋，并按校验膜的校验参数在热压罐或烘箱内进行预胶接校验。
进一步地，所述步骤e中，在芯材底部对应胶接面铺叠板芯胶膜，包括：首先在芯材与下蒙皮底部胶接区铺叠一层板芯胶膜，然后根据步骤c中的校验结果对局部区域补偿一层板芯胶膜。
进一步地，所述步骤b中，下蒙皮侧面高度高出芯材厚度5-10mm。
进一步地，所述成型复合材料夹芯结构所使用的芯材毛坯为树脂浸渍的纸蜂窝、铝合金蜂窝、钛合金蜂窝或泡沫芯中的其中一种。
进一步地，所述步骤e中，预胶接为在相对固化温度较低的温度以及压力下将芯材与下蒙皮进行胶接。
进一步地，所述上蒙皮和下蒙皮为复合材料蜂窝夹芯制件的非气动面蒙皮或气动面蒙皮，下蒙皮呈∪型结构，上蒙皮呈∩型结构，所述上蒙皮和下蒙皮均由玻璃纤维增强的树脂基预浸料或碳纤维增强的树脂基预浸料所固化形成。
进一步地，所述板芯胶膜和板板胶膜为带纤维载体的环氧树脂或双马树脂薄膜。
进一步地，所述发泡胶为具有一定厚度的带状发泡胶。
本申请的有益效果：
（1）本申请的成型方法通过蒙皮实现芯材侧面自包边，可代替传统采用糊状胶封边的加工方法，避免引起封边过程中胶层厚度不均、裹入气泡及结构增重的问题。
（2）本申请通过将全高度夹芯复合材料制件设计成已固化∪型下蒙皮、芯材与未固化∩型上蒙皮的组合结构，采用共胶接工艺方案实现了芯材的自包边，整个成型工艺可操作性强，相比传统二次胶接工艺，成本更低。
（3）本申请通过预先固化下蒙皮的方式，再在全高度芯材90°侧面与下蒙皮胶接处填充发泡胶与下蒙皮进行预胶接，不仅可以解决芯材固化时侧向收缩产生的芯材与蒙皮侧面脱粘的问题，同时发泡胶固化时发泡，将芯材与下蒙皮胶接成一个尺寸稳定的整体结构，能够增加芯材与下蒙皮胶接后90°侧面的刚性，该组合结构可以直接作为上蒙皮的铺叠模具，无需在芯材侧面再安放挡块，解决了上蒙皮固化加压不足的问题。
（4）本申请的成型方法可以推广至局部包边夹芯复合材料制件的成型，例如仅需一侧芯材包边的夹芯复材制件。
附图说明
图1为全高度复合材料夹芯结构示意图；
图2为包边夹芯复合材料制件下蒙皮成型示意图；
图3为包边夹芯复合材料制件芯材与下蒙皮预胶接示意图；
图4为包边夹芯复合材料制件芯材与下蒙皮预胶接后切割示意图；
图5为包边夹芯复合材料制件上蒙皮成型示意图；
图6为包边夹芯复合材料制件结构示意图。
附图中：
1、下蒙皮；2、芯材；3、板芯胶膜；4、上蒙皮；5、下蒙皮成型工作；6、隔离膜；7、透气毡；8、真空袋；9、腻子条；10、发泡胶；11、板板胶膜；12、胶接成型工装。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将通过几个具体的实施例来进一步说明实现本申请发明目的的技术方案，需要说明的是，本申请要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
目前，夹芯复合材料制件最常用的成型方法是真空袋-热压罐成型法，通常采用二次胶接、共胶接及共固化三种工艺。其中，二次胶接工艺上、下蒙皮需分别经过固化后与芯材进行胶接，而已固化蒙皮与芯材配合关系复杂，容易出现脱粘等内部质量问题，制造成本高，周期长，一般适用于双面气动要求极高的制件，目前在民用飞机上极少使用；共固化工艺上、下蒙皮与蜂窝通过胶黏剂一次固化成型，制造成本低，周期短，在飞机翼面、舵面等夹芯件上使用非常广泛，但对于全高度需包边的夹芯复合材料制件来说，为了防止芯材边缘受到侧向压力而导致收缩，必须在芯材侧面安放挡块，所带来的问题则是芯材侧面蒙皮无法受到压力而引起无损问题。
基于此，本申请提出了一种专门针对全高度包边夹芯复合材料制件的成型方法，本方法通过蒙皮实现芯材侧面自包边，可代替传统采用糊状胶封边的加工方法，避免引起封边过程中胶层厚度不均、裹入气泡以及结构增重等问题。
本实施例公开了一种全高度包边夹芯复合材料制件的成型方法，其中，全高度包边夹芯复合材料制件适用于对夹芯结构整体力学性能要求高的区域，芯材为整体全高度结构，主要呈现长方体或正方体结构形式，具体实施方式如下。
a．准备预浸料以及型面呈U型结构的下蒙皮成型工装，在下蒙皮成型工装的表面粘贴脱模布或涂刷脱模剂，接着将预浸料裁切为待铺叠的料片；
b．按照既定的铺层及角度将所述料片铺叠至下蒙皮成型工装的表面，完成下蒙皮铺叠成型，下蒙皮截面呈U型结构，并且下蒙皮侧面高度高出芯材厚度5-10mm，如图2所示，下蒙皮铺叠完成后组装封袋并将其送入热压罐内进行固化；
c．准备待成型复合材料蜂窝夹芯结构所使用的全高度芯材毛坯，然后将芯材表面擦拭、清洗干净，在芯材与下蒙皮内腔的底部平板连接区域放置校验膜后将芯材安放至下蒙皮U型腔内组装封袋，并按照校验膜的参数在热压罐或烘箱内进行预胶接校验；
d．将已固化的下蒙皮脱模，并将其与芯材待胶接的面进行打磨，然后将下蒙皮重新定位至下蒙皮成型工装上；
e．在芯材底部对应胶接面铺叠板芯胶膜，然后再根据步骤c中的校验结果对局部区域补偿一层板芯胶膜，接着在下蒙皮内腔的侧边与芯材侧边待胶接处铺叠一层发泡胶，将芯材铺放至下蒙皮上并进行组装封袋，最后送入热压罐内进行预胶接，如图3所示；
f．预胶接的芯材及下蒙皮脱模后，将下蒙皮侧边高出芯材厚度部分切割或打磨掉，直至两者等高，如图4所示，然后又对下蒙皮外侧与上蒙皮待胶接区进行打磨处理；
g．将芯材与下蒙皮粘接的组合结构铺放至胶接成型工装上，按照既定铺层结构依次在芯材与上蒙皮待胶接的上方区域铺叠板芯胶膜，在下蒙皮与上蒙皮待胶接区域铺叠板板胶膜后，然后逐层铺叠上蒙皮，全高度芯材区域的上蒙皮呈∩型结构，铺叠完成后整体组装封袋，如图5所示，最后送入热压罐内进行胶接固化；
h．将已固化的上蒙皮、芯材及下蒙皮组合结构脱模，对组合结构的边缘进行修整，最终得到全高度包边夹芯复合材料制件，如图6所示。
在本实施例中，需要说明的是，所述芯材毛坯为树脂所述形成的蜂窝、铝合金蜂窝、钛合金蜂窝或泡沫芯中的其中一种。需要进一步说明的是，所述树脂为对位或间位芳纶纸浸渍酚醛树脂、环氧树脂、氰酸酯树脂、双马树脂、聚酰亚胺树脂中的一种，或者上述几种树脂的改性树脂中的一种。
在本实施例中，需要说明的是，预胶接为在相对固化温度较低的温度以及压力下将芯材与下蒙皮进行胶接，其中，预胶接温度一般比正式固化温度低30-40℃，压力一般为1.5-1.8bar。例如，如果使用的胶膜为180度的固化温度，那么预胶接温度一般在140-150℃。
在本实施例中，需要说明的是，上蒙皮和下蒙皮为复合材料蜂窝夹芯制件的非气动面蒙皮或气动面蒙皮，其中，下蒙皮呈∪型结构，上蒙皮呈∩型结构。需要进一步说明的是，所述上蒙皮和下蒙皮均由玻璃纤维增强的树脂预浸料或碳纤维增强的树脂预浸料所固化形成，所述树脂为环氧树脂、双马树脂、氰酸酯树脂、聚酰亚胺树脂中的一种，或者上述四种树脂的改性树脂中的一种。
在本实施例中，需要说明的是，板芯胶膜和板板胶膜均为带纤维载体的环氧树脂或双马树脂等薄膜。
在本实施例中，需要说明的是，所述发泡胶为具有一定厚度的带状发泡胶，能够随着升温发泡体积增大。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式上的限制，凡是依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种全高度包边夹芯复合材料制件的成型方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
a．准备下蒙皮的成型工装以及预浸料，在下蒙皮成型工装的表面粘贴脱模布或涂刷脱模剂，将预浸料裁切为待铺叠的料片；
b．按照既定的铺层及角度将料片铺叠至下蒙皮成型工装的表面，完成芯材下蒙皮铺叠成型，铺叠完成后组装封袋并将其送入热压罐内进行固化；
c．准备待成型的全高度复合材料蜂窝夹芯结构所使用的全高度芯材毛坯，芯材表面擦拭、清洗干净后，将芯材与下蒙皮进行校验；
d．将已固化的下蒙皮脱模，并对其待胶接面进行打磨，然后将下蒙皮重新定位至下蒙皮成型工装上；
e．在芯材底部对应胶接面铺叠板芯胶膜，接着在芯材90°侧面对应的胶膜面铺叠一层发泡胶，将芯材铺放至下蒙皮上并进行组装封袋，最后送入热压罐内进行预胶接；
f．预胶接的芯材及下蒙皮脱模后，将下蒙皮侧边高出芯材厚度部分切割或打磨掉，直至两者等高，然后又对下蒙皮与上蒙皮待胶接面进行打磨；
g．将芯材与下蒙皮粘接的组合结构铺放至胶接成型工装上，按照既定铺层结构依次在芯材区域铺叠板芯胶膜，在下蒙皮与上蒙皮待胶接区域铺叠板板胶膜后，再逐层铺叠上蒙皮，铺叠完成后组装封袋，并送入热压罐内进行胶接固化；
h．将已固化的上蒙皮、芯材及下蒙皮组合结构脱模，对组合结构的边缘进行修整，最终得到全高度包边夹芯复合材料制件。
2.根据权利要求1所述的一种全高度包边夹芯复合材料制件的成型方法，其特征在于，所述步骤c中，芯材与下蒙皮进行校验，包括：在芯材与下蒙皮内腔的底部平板连接区域放置校验膜后，将芯材安放至下蒙皮U型腔内组装封袋，并按校验膜的校验参数在热压罐或烘箱内进行预胶接校验。
3.根据权利要求1所述的一种全高度包边夹芯复合材料制件的成型方法，其特征在于，所述步骤e中，在芯材底部对应胶接面铺叠板芯胶膜，包括：首先在芯材与下蒙皮底部胶接区铺叠一层板芯胶膜，然后根据步骤c中的校验结果对局部区域补偿一层板芯胶膜。
4.根据权利要求1所述的一种全高度包边夹芯复合材料制件的成型方法，其特征在于，所述步骤b中，下蒙皮侧面高度高出芯材厚度5-10mm。
5.根据权利要求1所述的一种全高度包边夹芯复合材料制件的成型方法，其特征在于，所述待成型的全高度复合材料蜂窝夹芯结构所使用的全高度芯材毛坯为树脂浸渍的纸蜂窝、铝合金蜂窝、钛合金蜂窝或泡沫芯中的其中一种。
6.根据权利要求1所述的一种全高度包边夹芯复合材料制件的成型方法，其特征在于，所述步骤e中，预胶接为在相对固化温度较低的温度以及压力下将芯材与下蒙皮进行胶接。
7.根据权利要求1所述的一种全高度包边夹芯复合材料制件的成型方法，其特征在于，所述上蒙皮和下蒙皮为复合材料蜂窝夹芯制件的非气动面蒙皮或气动面蒙皮，下蒙皮呈∪型结构，上蒙皮呈∩型结构，所述上蒙皮和下蒙皮均由玻璃纤维增强的树脂基预浸料或碳纤维增强的树脂基预浸料所固化形成。
8.根据权利要求1所述的一种全高度包边夹芯复合材料制件的成型方法，其特征在于，所述板芯胶膜和板板胶膜为带纤维载体的环氧树脂或双马树脂薄膜。
9.根据权利要求1所述的一种全高度包边夹芯复合材料制件的成型方法，其特征在于，所述发泡胶为具有一定厚度的带状发泡胶。
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