CN114986673A - SiC/SiC复合材料加筋壁板的整体成型模具及制备方法 - Google Patents

SiC/SiC复合材料加筋壁板的整体成型模具及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种SiC/SiC复合材料加筋壁板的整体成型模具及制备方法，所述SiC/SiC复合材料加筋壁板的整体成型模具，包括底模、顶模和芯模；所述底模上设有第一浸渍流道，所述顶模上设有第二浸渍流道，所述第一浸渍流道和所述第二浸渍流道连通，所述芯模位于所述顶模和底模之间。相对于现有技术中的致密化工艺分体式制备方法而言，本发明壁板预制体和筋预制体的连接强度高。相对于现有技术中整体编织的方法而言，本发明中的开口结构不需要通过加工，因此，可以节省材料，节约成本。

Description

SiC/SiC复合材料加筋壁板的整体成型模具及制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料加工技术领域，具体涉及一种SiC/SiC复合材料加筋壁板的整体成型模具及制备方法。
背景技术
与传统高温合金相比，SiC/SiC复合材料密度仅为高温合金的1/3～1/4，具有高强高模及高温抗氧化等优异性能，是国际公认的航空航天领域热端构件的理想应用材料。加筋板结构是由主体结构(蒙皮)和加强筋(如桁条、肋板、纵骨、大梁等)通过一定的方式连接而成的组合结构。为了满足不同的需要，工程实际中的加筋板结构多种多样。Ω型加强筋由于其高压缩稳定性特点越来越受到结构设计工程师的关注。Ω型加强筋的截面尺寸一般较大，其两边与蒙皮相连形成一个闭合切面，具有很高的压缩载荷后屈曲承载能力，常应用于载荷工况严重的主承力部位结构中。同时，Ω型加强筋有利于增加构件的扭转稳定性和提高屈曲强度，从而可允许壁板设计时增加两个加强筋之间的蒙皮宽度，对减少零件数量有利。制造SiC/SiC复合材料Ω型加筋壁板通常有两种方法：一是通过致密化工艺分体式制备Ω型加强筋以及壁板，并通过在线连接、机械连接、焊接、胶接等方法组合装配成整体Ω型加筋壁板；二是采用整体编织的方法，将实心的加强筋整体编织在壁板预制体上，通过精加工得到Ω型加筋壁板。
采用致密化工艺分体式制备方法，受连接方法所限，存在需对复合材料开孔，破坏复合材料结构完整性或连接层热涨不匹配，结构强度较低等问题；采用整体编织的方法，因无法编织开口加强筋预制体，需编织成实心加强筋预制体，后通过加工得到Ω型加强筋，导致纤维、预制体编织、基体原材料、加工等成本增加，不利于Ω型加筋壁板在航空领域的推广应用。针对SiC/SiC复合材料Ω型加筋壁板的低成本整体成型制造方法亟待开发。
因此，本发明提供了一种SiC/SiC复合材料加筋壁板的整体成型模具及制备方法。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种SiC/SiC复合材料加筋壁板的整体成型模具及制备方法，解决了连接强度低、成本高的技术问题。
(2)技术方案
为了解决上述技术问题，第一方面，本发明提出了一种SiC/SiC复合材料加筋壁板的整体成型模具，包括底模、顶模和芯模；
所述底模上设有第一浸渍流道，所述顶模上设有第二浸渍流道，所述第一浸渍流道和所述第二浸渍流道连通，所述芯模位于所述顶模和底模之间。
可选地，所述底模中部具有容纳槽框，所述容纳槽框的边缘设有定位凹槽，所述顶模卡设在所诉容纳槽框内，所述芯模位于所述定位槽内。
可选地，所述底模上设有第一定位销孔，所述顶模上设有第二定位销孔，所述第一定位销孔和所述第二定位销孔之间连接有定位销；所述底模上设有第一连接孔，所述顶模上设有第二连接孔，所述第一连接孔和所述第二连接孔之间连有连接件。
第二方面，本发明还提出了一种加筋壁板的制备方法，包括：
装模，获取壁板预制体和筋预制体，将所述壁板预制体和筋预制体装在SiC/SiC复合材料加筋壁板的整体成型模具中；
缝合，将所述壁板预制体和所述筋预制体缝合，得到加筋壁板预制体；
界面层制备，在所述加筋壁板预制体表面形成界面层；
初步致密化，获取陶瓷先驱体溶液，将所述加筋壁板预制体在所述陶瓷先驱体溶液中浸渍，然后将浸渍后的加筋壁板预制体升温至先驱体陶瓷化转变点温度以进行高温裂解，将所述加筋壁板预制体和所述整体成型模具脱离，得到多孔的加筋壁板坯体；
进一步致密化，将所述加筋壁板坯体浸渍在陶瓷先驱体溶液中，以进行真空浸渍处理，然后再次装入所述整体成型模具中以再次进行高温裂解，将所述加筋壁板坯体和所述整体成型模具脱模；
重复所述步骤进一步致密化，待浸渍裂解后的加筋壁板坯体和浸渍裂解前的加筋壁板坯体质量增重率小于1％时，得到致密加筋壁板坯体；
机加工，将所述致密加筋壁板坯体加工成加筋壁板的目标工件。
可选地，所述装模，包括：
将壁板预制体贴合在底模上，将筋预制体贴合在芯模上，将芯模装在顶模和底模之间，然后采用喷雾胶剂将所述壁板预制体、所述筋预制体、所述顶模、所述底模和所述芯模固化。
可选地，所述界面层为热解碳界面层或氮化硼界面层。
可选地，所述陶瓷先驱体溶液为聚碳硅烷溶液或液态聚碳硅烷。
可选地，所述先驱体浸渍和高温裂解中，将所述加筋壁板预制体在所述陶瓷先驱体溶液中浸渍24h～48h，所述高温裂解的时间为0.5h～2h。
可选地，步骤进一步致密化中，将所述加筋壁板坯体在陶瓷先驱体溶液中浸渍12h～24h。
可选地，所述缝合，包括：
采用连SiC纤维或包芯SiC纤维，将所述壁板预制体和所述筋预制体缝合，得到加筋壁板预制体。
(3)有益效果
综上，本发明的SiC/SiC复合材料加筋壁板的整体成型模具及制备方法中，加工加筋壁板前，可以先准备壁板预制体和筋预制体，壁板预制体和筋预制体分别通过编制而成，壁板预制体和筋预制体上分别具有很多孔状结构。加工加筋壁板时，将壁板预制体安装在底模上，将筋预制体安装在芯模上，然后将芯模放在底模上，最后在芯模和底模上盖上顶模。壁板预制体和筋预制体之间形成开口结构。通过第一浸渍流道和第二浸渍流道将SiC复合材料等浸渍在壁板预制体和筋预制体上，最后通过机加工加工成加筋壁板的目标工件。由此得到的加筋壁板的目标工件也具有开口结构。相对于现有技术中的致密化工艺分体式制备方法而言，本发明壁板预制体和筋预制体的连接强度高。相对于现有技术中整体编织的方法而言，本发明中的开口结构不需要通过加工，因此，可以节省材料，节约成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例中SiC/SiC复合材料加筋壁板的整体成型模具的结构示意图；
图2是本发明一实施例中底模的结构示意图；
图3是本发明一实施例中芯模的结构示意图；
图4是本发明一实施例中壁板预制体的结构示意图；
图5是本发明一实施例中筋预制体的结构示意图；
图6是本发明一实施例中壁板预制体和筋预制体的缝合示意图。
图中：1-底模；2-芯模；3-顶模；4-第二浸渍流道；5-第二定位销孔；6-第二连接孔；7-定位槽；8-定位凸台；9-壁板预制体；10-筋预制体；11-包芯SiC纤维。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
请参照图1至图6，第一方面，本实施例提出了一种SiC/SiC复合材料加筋壁板的整体成型模具，包括底模1、顶模3和芯模2；所述底模1上设有第一浸渍流道，所述顶模3上设有第二浸渍流道4，所述第一浸渍流道和所述第二浸渍流道4连通，所述芯模2位于所述顶模3和底模1之间。加工加筋壁板前，可以先准备壁板预制体9和筋预制体10，壁板预制体9和筋预制体10分别通过编制而成，壁板预制体9和筋预制体10上分别具有很多孔状结构。加工加筋壁板时，将壁板预制体9安装在底模1上，将筋预制体10安装在芯模2上，然后将芯模2放在底模1上，最后在芯模2和底模1上盖上顶模3。壁板预制体9和筋预制体10之间形成开口结构。通过第一浸渍流道和第二浸渍流道4将SiC复合材料等浸渍在壁板预制体9和筋预制体10上，最后通过机加工加工成加筋壁板的目标工件。由此得到的加筋壁板的目标工件也具有开口结构。相对于现有技术中的致密化工艺分体式制备方法而言，本实施例壁板预制体9和筋预制体10的连接强度高。相对于现有技术中整体编织的方法而言，本实施例中的开口结构不需要通过加工，因此，可以节省材料，节约成本。其中，通过第一浸渍流道和第二浸渍流道注入SiC基体先驱体。
在一实施例中，所述底模1中部具有容纳槽框，所述容纳槽框的边缘设有定位凹槽7，所述顶模3卡设在所诉容纳槽框内，芯模2上设有定位凸台8，所述芯模2通过定位凸台8安装于所述定位凹槽7内。容纳槽框位于底模1顶面的中部，容纳槽框为方形，能够将顶模3卡在其中，容纳槽框对顶模3具有纤维的作用。容纳槽框的两端分别设有定位凹槽7，芯模2的两端卡在定位凹槽7中，定位凹槽7对芯模2具有纤维和固定的作用。
在一实施例中，所述底模1上设有第一定位销孔，所述顶模3上设有第二定位销孔5，所述第一定位销孔和所述第二定位销孔5之间连接有定位销；所述底模1上设有第一连接孔，所述顶模3上设有第二连接孔6，所述第一连接孔和所述第二连接孔6之间连有连接件。第一定位销孔、第二定位销孔5和定位销的相互配合，能够对顶模3和底模1进行定位，便于顶模3和底模1的连接。第一连接孔、第二连接孔6和连接件的连接，能够将顶模3和底模1连接固定。具体的，第一连接孔和第二连接孔6为螺纹孔，连接件为螺钉，拆装方便，结构简单。
第二方面，本实施例还提出了一种加筋壁板的制备方法，包括：
装模，获取壁板预制体9和筋预制体10，将所述壁板预制体9和筋预制体10装在SiC/SiC复合材料加筋壁板的整体成型模具中；
缝合，将所述壁板预制体9和所述筋预制体10缝合，得到加筋壁板预制体9；
界面层制备，在所述加筋壁板预制体9表面形成界面层；
初步致密化，获取陶瓷先驱体溶液，将所述加筋壁板预制体9在所述陶瓷先驱体溶液中浸渍，然后将浸渍后的加筋壁板预制体9升温至先驱体陶瓷化转变点温度以进行高温裂解，重复浸渍和高温裂解循环若干次后，将所述加筋壁板预制体9和所述整体成型模具脱离，得到多孔的加筋壁板坯体；
进一步致密化，将所述加筋壁板坯体9浸渍在陶瓷先驱体溶液中，以进行真空浸渍处理，然后再次装入所述整体成型模具中以再次进行高温裂解，将所述加筋壁板坯体和所述整体成型模具脱模；
重复所述步骤进一步致密化，待浸渍裂解后的加筋壁板坯体9和浸渍裂解前的加筋壁板坯体质量增重率小于1％时，得到致密加筋壁板坯体；
机加工，将所述致密加筋壁板坯体加工成加筋壁板的目标工件。
本实施例的加筋壁板的制备方法中，壁板预制体9和筋预制体10之间能够形成开口结构，故最终得到的加筋壁板的目标工件也具有开口结构。相对于现有技术中的致密化工艺分体式制备方法而言，本实施例壁板预制体9和筋预制体10的连接强度高。相对于现有技术中整体编织的方法而言，本实施例中的开口结构不需要通过加工，因此，可以节省材料，节约成本。
在一实施例中，所述装模，包括：将壁板预制体9贴合在底模1上，将筋预制体10贴合在芯模2上，将芯模2装在顶模3和底模1之间，然后采用喷雾胶剂将所述壁板预制体9、所述筋预制体10、所述顶模3、所述底模1和所述芯模2固化。采用锁紧螺栓将紧固模压保持4小时，采用喷雾胶粘剂具有操作便捷，室温固化速度快，纤维预制体与模具型面紧固贴合，无杂质引入的优点。
在一实施例中，所述缝合，包括：将顶模3拆除后，采用连SiC纤维或包芯SiC纤维11，将所述壁板预制体9和所述筋预制体10缝合，得到加筋壁板预制体9。
在一实施例中，所述界面层为热解碳界面层或氮化硼界面层。步骤界面层制备，包括：将带模具的加筋壁板预制体9放入PyC化学气相沉积炉中，将炉内抽真空，真空度至50Pa，然后升温至300℃，保温1h后继续升温至1000℃，保温1h，通入氩气和丙烷，两者流量比例为1：1，沉积压力位2000Pa，沉积15h后降温至室温，制的PyC界面层的厚度为200nm。
在一实施例中，所述陶瓷先驱体溶液为聚碳硅烷溶液或液态聚碳硅烷。
在一实施例中，所述初步致密化中，将所述加筋壁板预制体9在所述陶瓷先驱体溶液中浸渍24h～48h，所述高温裂解的时间为0.5h～2h。具体的，所述先驱体浸渍和高温裂解，包括：以聚碳硅烷先驱体为溶质，以二甲苯为溶剂，聚碳硅烷占先驱体浸渍溶液重量百分比的50％，在室温下均匀搅拌24h，得到SiC陶瓷先驱体溶液；将带模具的加筋壁板预制体9置于真空浸渍设备中，用真空泵对真空浸渍设备抽真空，真空浸渍设备内腔压力<100Pa时，将SiC陶瓷先驱体溶液通过不锈钢管路引入真空浸渍设备内腔，最终使带模具的加筋壁板预制体9全部淹没于陶瓷先驱体溶液中，浸渍处理24h；然后将带模具的加筋壁板预制体9放入高温裂解炉中，抽真空至50Pa，以10℃/min的升温速率加热到1200℃，保温1h。重复步骤先驱体浸渍和高温裂解四次后，进入步骤初步致密化步骤。
在一实施例中，步骤进一步致密化中，将所述加筋壁板坯体在陶瓷先驱体溶液中浸渍12h～24h。具体的，所述第二致密化，包括：将带模具的加筋壁板预制体9置于真空浸渍设备中，用真空泵对真空浸渍设备抽真空，真空浸渍设备内腔压力<100Pa时，将陶瓷先驱体溶液通过不锈钢管路引入真空浸渍设备内腔，最终带模具的加筋壁板预制体9淹没于陶瓷先驱体溶液，保持12h，然后将其再次放入模具中并置于高温裂解炉中抽真空至50Pa，以10℃/min的升温速率加热到1200℃，保温1h，脱模称重，重复浸渍-装模-高温裂解-脱模过程，待浸渍裂解后的加筋壁板预制体9的重量与浸渍前质量增重率小于1％时，完成加筋壁板预制体9的基体致密化过程，得到致密化的致密加筋壁板坯体。
在一实施例中，所述机加工，包括：将致密加筋壁板坯体按照图纸要求进行加工，得到净尺寸的加筋壁板的目标工件，用1200目的水砂纸打磨，之后用无水乙醇将打磨处清洗干净并烘干，完成加筋壁板的制备。
以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种SiC/SiC复合材料加筋壁板的整体成型模具，其特征在于，包括底模、顶模和芯模；
所述底模上设有第一浸渍流道，所述顶模上设有第二浸渍流道，所述第一浸渍流道和所述第二浸渍流道连通，所述芯模位于所述顶模和底模之间。
2.根据权利要求1所述的SiC/SiC复合材料加筋壁板的整体成型模具，其特征在于，所述底模中部具有容纳槽框，所述容纳槽框的边缘设有定位凹槽，所述顶模卡设在所诉容纳槽框内，所述芯模位于所述定位槽内。
3.根据权利要求1所述的SiC/SiC复合材料加筋壁板的整体成型模具，其特征在于，所述底模上设有第一定位销孔，所述顶模上设有第二定位销孔，所述第一定位销孔和所述第二定位销孔之间连接有定位销；所述底模上设有第一连接孔，所述顶模上设有第二连接孔，所述第一连接孔和所述第二连接孔之间连有连接件。
4.一种加筋壁板的制备方法，其特征在于，包括：
装模，获取壁板预制体和筋预制体，将所述壁板预制体和筋预制体装在SiC/SiC复合材料加筋壁板的整体成型模具中；
缝合，将所述壁板预制体和所述筋预制体缝合，得到加筋壁板预制体；
界面层制备，在所述加筋壁板预制体表面形成界面层；
初步致密化，获取陶瓷先驱体溶液，将所述加筋壁板预制体在所述陶瓷先驱体溶液中浸渍，然后将浸渍后的加筋壁板预制体升温至先驱体陶瓷化转变点温度以进行高温裂解，将所述加筋壁板预制体和所述整体成型模具脱离，得到多孔的加筋壁板坯体；
进一步致密化，将所述加筋壁板坯体浸渍在陶瓷先驱体溶液中，以进行真空浸渍处理，然后再次装入所述整体成型模具中以再次进行高温裂解，将所述加筋壁板坯体和所述整体成型模具脱模；
重复所述步骤进一步致密化，待浸渍裂解后的加筋壁板坯体和浸渍裂解前的加筋壁板坯体质量增重率小于1％时，得到致密加筋壁板坯体；
机加工，将所述致密加筋壁板坯体加工成加筋壁板的目标工件。
5.根据权利要求4所述的加筋壁板的制备方法，其特征在于，所述装模，包括：
将壁板预制体贴合在底模上，将筋预制体贴合在芯模上，将芯模装在顶模和底模之间，然后采用喷雾胶剂将所述壁板预制体、所述筋预制体、所述顶模、所述底模和所述芯模固化。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述界面层为热解碳界面层或氮化硼界面层。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷先驱体溶液为聚碳硅烷溶液或液态聚碳硅烷。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述先驱体浸渍和高温裂解中，将所述加筋壁板预制体在所述陶瓷先驱体溶液中浸渍24h～48h，所述高温裂解的时间为0.5h～2h。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤进一步致密化中，将所述加筋壁板坯体在陶瓷先驱体溶液中浸渍12h～24h。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述缝合，包括：
采用连SiC纤维或包芯SiC纤维，将所述壁板预制体和所述筋预制体缝合，得到加筋壁板预制体。
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