CN115195158A - 制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具及方法，该模具包括由下至上依次设置的底板、结构件放置阴模、复合材料成型阴模、阳模；结构件放置阴模的内腔与结构件的形状、大小一致；复合材料成型阴模的内型面与阳模的外型面、结构件的外型面、结构件放置阴模的外型面构成的空间形成复合材料件成型的型腔；复合材料成型阴模与结构件放置阴模的相对位置设置为，使结构件放置阴模的内腔与复合材料件成型的型腔在长度方向上相互错开。该制备方法采用模具直接压制压剪试样，避免后加工对界面强度的影响，试样成型工艺与产品成型工艺相同或接近，直观准确的反映产品界面性能，且制备的试样尺寸更精确、一致性好，制备效率高、制造成本低。
Description
技术领域
本发明属于功能复合材料及工艺技术领域，具体涉及制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具及方法。
背景技术
宇航飞行器再入大气层时，会与空气发生剧激摩擦，表面要承受上千度的高温及高速气流的冲刷，为了保护飞行器免遭烧毁，需要在结构层表面用一层特殊的防热层来防护，防热层通常为纤维增强树脂基复合材料。
防热层与结构层通常的连接方式为：1）防热层与结构层分别单独成型，然后通过胶黏剂将二者粘接在一起；2）防热层与结构层一体成型，即在结构层上设置纤维增强树脂基预混料，经加温加压固化成型，在结构层上直接制备形成防热层，使二者成为一体成型的整体。测试防热层与结构层的粘接质量通常需要测试界面剪切强度，对于粘接工艺，可将防热层与结构层单独加工成标准样块后利用工装粘接在一起得到压剪强度试样；而一体成型工艺由于防热层无法单独成型，要制成剪切试样需要经过后加工，例如通过刀具切削获得一定尺寸的试样。但是，试样经过刀具切削受到外力作用，可能会影响粘接质量，不能完全模拟工艺过程。
因此，需要提供一种防热层与结构层一体成型的连接方式的界面压剪强度测试的试样的制备方法，制备的压剪强度试样不经过机加工，可以模拟产品的生产过程，测试的试样更接近产品的实际状态。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具及方法。采用模具直接压制压剪试样，避免了后加工对界面强度的影响，试样成型工艺与产品的成型工艺相同或接近，可直观准确的反应产品的界面性能，且由于采用模具净尺寸成型，制备的试样尺寸更精确、一致性更好，且制备效率更高、制造成本更低。
为了解决上述问题，本发明的一个方面提供一种用于制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具：
包括由下至上依次设置的底板、结构件放置阴模、复合材料成型阴模、阳模；所述结构件放置阴模的内腔与结构件的形状、大小一致；所述复合材料成型阴模的内型面与所述阳模的外型面、所述结构件的外型面、所述结构件放置阴模的外型面构成的空间形成复合材料件成型的型腔；所述复合材料成型阴模与所述结构件放置阴模的相对位置设置为，使所述结构件放置阴模的内腔与所述复合材料件成型的型腔在长度方向上相互错开。
优选地，所述结构件放置阴模的内腔与所述复合材料件成型的型腔为形状、大小相同的长方体，所述复合材料件成型的型腔与所述结构件放置阴模的内腔在宽度方向上对齐，在长度方向上相互错开。
优选地，所述结构件放置阴模的内腔长度为30mm或32mm，高度为8-10mm；所述复合材料件成型的型腔在长度方向上相对于所述结构件放置阴模的内腔的中心线偏移5mm或7mm。
优选地，所述结构件放置阴模包括左阴模和右阴模，所述左阴模和所述右阴模均为L形，所述左阴模和所述右阴模拼合后内型面形成与所述结构件形状、大小一致的固定凹槽。
优选地，所述复合材料成型阴模与所述结构件放置阴模通过设置在所述复合材料成型阴模底部的定位销进行定位；所述复合材料成型阴模、所述结构件放置阴模、所述底板通过贯穿的螺栓进行固定连接。
优选地，所述复合材料成型阴模的内型面的长度为30-32mm，宽度为25mm，高度为30-50mm，所述复合材料成型阴模的壁厚为15-30mm；
所述阳模的外型面的长度为30-32mm，宽度为25mm，高度为20-40mm；
所述结构件放置阴模的内腔的长度为30-32mm，宽度为25mm，高度为10mm；
所述底板的厚度为10-30mm，所述底板的长度大于所述复合材料成型阴模的外型的长度10-20mm，所述底板的宽度大于所述复合材料成型阴模的外型的宽度10-20mm；
所述结构件与所述复合材料件的粘接面长度为25mm。
优选地，所述结构件放置阴模为钢材质；所述底板为钢板。
本发明的另一方面提供一种复合材料与结构件界面压剪强度试样的制备方法，采用上述的用于制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具进行制备，包括以下步骤：
S1. 将所述结构件安装入所述结构件放置阴模中，然后将所述结构件放置阴模、所述复合材料成型阴模、所述底板组装、连接；
S2. 将预混料装填入所述复合材料成型阴模中，合上所述阳模，然后固化成型；
S3. 将固化成型后的制品冷却脱模，得到所述复合材料与结构件界面压剪强度试样。
优选地，步骤S1之前还进行：
S0. 对所述结构件的粘接面进行表面处理；所述表面处理为喷砂处理，所述喷砂处理采用粒径为40-80目的白刚玉砂，喷砂压力为0.2-0.8 MPa；
所述结构件为铝合金结构件时，喷砂压力为0.5-0.7MPa；
所述结构件为钢质结构件时，喷砂压力为0.7-0.8MPa；
所述结构件为玻璃钢结构件时，喷砂压力为0.2-0.4MPa。
优选地，还包括在步骤S1之前，制作所述用于制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具。
优选地，步骤S1具体为将左阴模和右阴模通过定位销、螺栓与复合材料成型阴模固定连接，然后将所述结构件安装入所述结构件放置阴模中，并使所述结构件的表面处理的一面朝上，最后安装所述底板。
优选地，步骤S2之前，还对所述结构件进行预热，预热温度为80-100℃，预热时间≥60min。
优选地，步骤S2中，预混料中基体材料为环氧树脂、酚醛树脂、苯并噁嗪树脂中的一种或几种的混合；预混料中增强材料为碳纤维、无碱玻璃纤维、高强玻璃纤维、高硅氧纤维、石英纤维、芳砜纶纤维、芳纶纤维中的一种或几种的混合。
优选地，步骤S2之前，还对所述预混料进行预热，预热温度为80-100℃，预热时间为10-60min；
所述预混料为环氧树脂预混料时，预热温度为80-90℃，预热时间为15-30min；
所述预混料为酚醛树脂预混料时，预热温度为85-95℃，预热时间为20-40min；
所述预混料为苯并噁嗪预混料时，预热温度为85-95℃，预热时间为30-60min。
优选地，步骤S2之前，还包括挑出所述预混料中的杂质。
优选地，步骤S2中，固化成型时的压力为10-30MPa，保温程序为：在100-140℃时保温30-60min，然后以2-5℃/10min的速率升温至150-190℃保温，保温时间通过以下公式计算：t＝5-6min/mm*(d)，其中：d为压制的复合材料总厚度，t为保温时间。
优选地，步骤S3中冷却至40℃以下脱模。
优选地，步骤S3之后还进行：
S4. 对所述复合材料与结构件界面压剪强度试样进行后处理。
优选地，所述后处理为使用砂纸、板锉打磨试样的飞边。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明的用于制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具，可用于直接压制复合材料与结构件一体成型结构的压剪强度试样，预混料于模具中与结构件一体成型，可完全模拟产品的生产过程，试样成型工艺与产品的成型工艺相同或接近，测试的试样更接近产品的实际状态；且利用该模具直接成型为选定的试样尺寸，无需经过机加工，从而避免了后加工对界面强度的影响，因此更能直观准确的反应产品的界面性能。同时，利用该模具净尺寸成型，制备的试样尺寸更精确、一致性更好，且效率更高、制造成本更低。
2.本发明的复合材料与结构件界面压剪强度试样的制备方法，采用模具直接压制压剪试样，预混料于模具中与结构件一体成型，可完全模拟产品的生产过程，试样成型工艺与产品的成型工艺相同或接近，测试的试样更接近产品的实际状态；且直接将复合材料与结构件成型为选定的试样尺寸，无需经过机加工，从而避免了后加工对界面强度的影响，因此更能直观准确的反应产品的界面性能。同时，该压剪强度试样的制备方法采用模具成型试样，制备的试样尺寸更精确、一致性更好，且效率更高、制造成本更低。
附图说明
图1是本发明实施例1中模具压制复合材料与结构件界面压剪强度试样时的结构示意图；
图2是本发明实施例1的用于制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具中结构件放置阴模的结构示意图；
图3是本发明实施例1的用于制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具中结构件放置阴模、复合材料成型阴模的纵截面图；
图4是本发明实施例1中制备得到的复合材料与结构件界面压剪强度试样的结构示意图。
其中：1-底板；2-结构件放置阴模；21-左阴模；22-右阴模；3-复合材料成型阴模；4-阳模；5-结构件；6-复合材料件。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种用于制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具：
包括由下至上依次设置的底板1、结构件放置阴模2、复合材料成型阴模3、阳模4；结构件放置阴模2的内腔与结构件5的形状、大小一致；复合材料成型阴模3的内型面与阳模4的外型面、结构件5的外型面、结构件放置阴模3的外型面构成的空间形成复合材料件成型的型腔；复合材料成型阴模3与结构件放置阴模2的相对位置设置为，使结构件放置阴模2的内腔与复合材料件成型的型腔在长度方向上相互错开。
如图1、图3所示，结构件与复合材料件在长度方向上相互错开，指结构件与复合材料件在长度方向上的两端不重合，且一端结构件超出复合材料件，另一端复合材料件超出结构件，在模具中一体成型复合材料件后，便于对二者界面压剪强度进行测试时，夹具的夹持，同时需保证一定的粘接面长度。
优选地，结构件放置阴模2的内腔与复合材料件成型的型腔为形状、大小相同的长方体，复合材料件成型的型腔与结构件放置阴模2的内腔在宽度方向上对齐，在长度方向上相互错开。
优选地，所述结构件放置阴模的内腔长度为30mm或32mm，高度为8-10mm；所述复合材料件成型的型腔在长度方向上相对于结构件放置阴模2的内腔的中心线偏移5mm或7mm。
其中，结构件放置阴模可以为整体的模具，在模具中心设置于结构件形状大小一致的凹槽，也可以采用分体的模具，作为一种优选的实施方式，如图2所示，本实施例中，结构件放置阴模2包括左阴模21和右阴模22，左阴模21和右阴模22均为L形钢条，两根L形钢条的直角边相对应平行放置后，其内型面拼合形成与结构件形状、大小一致的固定凹槽。
其中，复合材料成型阴模与结构件放置阴模可以采用一体结构，也可以通过粘接直接固定连接，作为一种优选的实施方式，本实施例中，复合材料成型阴模3与结构件放置阴模2为单独的、分离的结构，二者之间通过设置在复合材料成型阴模底部的金属定位销进行定位，并通过4个穿过复合材料成型阴模、结构件放置阴模、底板的M5螺栓进行固定连接。
优选地，复合材料成型阴模的内型面的长度为30-32mm，宽度为25mm，高度为30-50mm，复合材料成型阴模的壁厚为15-30mm；阳模的外型面的长度为30-32mm，宽度为25mm，高度为20-40mm；结构件放置阴模的内腔的长度为30-32mm，宽度为25mm，高度为10mm；底板的厚度为10-30mm，底板的长度大于复合材料成型阴模的长度10-20mm，底板的宽度大于复合材料成型阴模的宽度10-20mm；结构件与复合材料件的粘接面长度为25mm。
具体地，本实施例中，复合材料成型阴模3的内型面的尺寸为长度为30mm，宽度为25mm，高度为30mm，壁厚为15-20mm，外型为长度为70mm、宽度为55mm、高度为30mm。阳模4的成型的外型面的尺寸为长度为30mm，宽度为25mm，高度为20mm（即较复合材料成型阴模的内型面的高度低10mm）。结构件放置阴模2形成的固定凹槽的尺寸为长度为30mm，宽度为25mm，高度为10mm；结构件放置阴模在30mm长度的方向与复合材料成型阴模错开5mm的距离，使结构件与复合材料件的粘接面长度为25mm。底板1为长度为80mm，宽度为70mm，厚度为10mm的钢板。
本实施例的复合材料与结构件界面压剪强度试样的制备方法，采用上述的模具进行制备，具体包括以下步骤：
S0.按照上述选定尺寸制备用于制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具；对尺寸为30×25×10mm的铝合金结构件的粘接面进行表面处理；表面处理具体为使用60目的白刚玉砂，0.6MPa的喷砂压力处理粘接面，然后使用高压气、酒精清理粘接面；
S1. 在复合材料成型阴模、结构件放置阴模、阳模的成型面上打3遍脱模剂，将左阴模和右阴模通过定位销、螺栓与复合材料成型阴模固定连接，然后将结构件安装入结构件放置阴模中，并使结构件的喷砂面朝上，最后安装底板；然后将安装好的模具整体放入90℃烘箱中预热90min；
S2. 称取14.5g酚醛树脂/高硅氧纤维预混料，挑出预混料中的杂质，预混料在90℃的烘箱中预热30min，将预混料装填入复合材料成型阴模中，合上阳模，于单位面积压力30MPa，100±5℃保温保压30min，然后以3℃/10min的速率升温至170±5℃保温保压60min固化成型；
S3. 将固化成型后的制品冷却至40℃以下脱模，将连接螺栓、定位销取下，脱下产品；
S4. 对得到的产品使用板锉打磨飞边，得到如图4所示的复合材料与结构件界面压剪强度试样。
实施例2
本实施例中，与实施例1的区别为所采用的结构件的材质为钢，步骤S0中，表面处理具体为使用40目的白刚玉砂，0.8MPa的喷砂压力处理粘接面，然后使用高压气、酒精清理粘接面，所采用的模具的结构、制备方法的其他步骤与实施例1均相同。
实施例3
本实施例与实施例1所采用的制备模具及制备方法的其他步骤均相同，区别为：
步骤S0中，采用尺寸为32×25×10mm的环氧树脂/碳纤维结构件，表面处理具体为使用60目的白刚玉砂，0.3MPa的喷砂压力处理粘接面，然后使用高压气、酒精清理粘接面；
步骤S2中，称取14.5g环氧树脂/石英纤维预混料，挑出预混料中的杂质，预混料在80℃的烘箱中预热20min，将预混料装填入复合材料成型阴模中，合上阳模，于单位面积压力20MPa，100±5℃保温保压20min，然后以4℃/10min的速率升温至155±5℃保温保压60min固化成型。
实施例4
本实施例与实施例1所采用的制备模具及制备方法的其他步骤均相同，区别为：
步骤S2中，称取14.5g（环氧树脂、酚醛树脂复配）/高强玻璃纤维预混料，挑出预混料中的杂质，预混料在80℃的烘箱中预热20min，将预混料装填入复合材料成型阴模中，合上阳模，于单位面积压力20MPa，100±5℃保温保压20min，然后以4℃/10min的速率升温至175±5℃保温保压60min固化成型。
实施例5
本实施例与实施例1所采用的制备模具及制备方法的其他步骤均相同，区别为：
步骤S0中，采用尺寸为30×25×10mm的铝合金结构件，表面处理具体为使用60目的白刚玉砂，0.6MPa的喷砂压力处理粘接面，然后使用高压气、酒精清理粘接面；
步骤S2中，称取15g苯并噁嗪树脂/无碱玻璃纤维预混料，挑出预混料中的杂质，预混料在95℃的烘箱中预热20min，将预混料装填入复合材料成型阴模中，合上阳模，于单位面积压力30MPa，120±5℃保温保压30min，然后以4℃/10min的速率升温至185±5℃保温保压60min固化成型。
实施例6
本实施例与实施例1所采用的制备模具的其他结构及制备方法的其他步骤均相同，区别为：
复合材料成型阴模3的内型面的尺寸为长度为30mm，宽度为25mm，高度为40mm，壁厚为15-20mm，外型为长度为70mm、宽度为55mm、高度为40mm。阳模4的成型的外型面的尺寸为长度为30mm，宽度为25mm，高度为30mm（即较复合材料成型阴模的内型面的高度低10mm）。底板1为长度为80mm，宽度为70mm，厚度为10mm的钢板。
步骤S0中，采用尺寸为32×25×10mm的铝合金结构件，表面处理具体为使用60目的白刚玉砂，0.6MPa的喷砂压力处理粘接面，然后使用高压气、酒精清理粘接面；
步骤S2中，称取12g酚醛树脂/碳纤维预混料，挑出预混料中的杂质，预混料在90℃的烘箱中预热20min，将预混料装填入复合材料成型阴模中，合上阳模，于单位面积压力30MPa，110±5℃保温保压30min，然后以3℃/10min的速率升温至165±5℃保温保压50min固化成型。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种用于制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具，其特征在于：
包括由下至上依次设置的底板、结构件放置阴模、复合材料成型阴模、阳模；所述结构件放置阴模的内腔与结构件的形状、大小一致；所述复合材料成型阴模的内型面与所述阳模的外型面、所述结构件的外型面、所述结构件放置阴模的外型面构成的空间形成复合材料件成型的型腔；所述复合材料成型阴模与所述结构件放置阴模的相对位置设置为，使所述结构件放置阴模的内腔与所述复合材料件成型的型腔在长度方向上相互错开。
2.根据权利要求1所述的用于制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具，其特征在于：
所述结构件放置阴模的内腔与所述复合材料件成型的型腔为形状、大小相同的长方体，所述复合材料件成型的型腔与所述结构件放置阴模的内腔在宽度方向上对齐，在长度方向上相互错开。
3.根据权利要求2所述的用于制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具，其特征在于：
所述结构件放置阴模的内腔长度为30mm或32mm，高度为8-10mm；所述复合材料件成型的型腔在长度方向上相对于所述结构件放置阴模的内腔的中心线偏移5mm或7mm。
4.根据权利要求1所述的用于制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具，其特征在于：
所述结构件放置阴模包括左阴模和右阴模，所述左阴模和所述右阴模均为L形，所述左阴模和所述右阴模拼合后内型面形成与所述结构件形状、大小一致的固定凹槽。
5.根据权利要求1所述的用于制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具，其特征在于：
所述复合材料成型阴模与所述结构件放置阴模通过设置在所述复合材料成型阴模底部的定位销进行定位；所述复合材料成型阴模、所述结构件放置阴模、所述底板通过贯穿的螺栓进行固定连接。
6.根据权利要求1所述的用于制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具，其特征在于：
所述复合材料成型阴模的内型面的长度为30-32mm，宽度为25mm，高度为30-50mm，所述复合材料成型阴模的壁厚为15-30mm；
所述阳模的外型面的长度为30-32mm，宽度为25mm，高度为20-40mm；
所述结构件放置阴模的内腔的长度为30-32mm，宽度为25mm，高度为10mm；
所述底板的厚度为10-30mm，所述底板的长度大于所述复合材料成型阴模的外型的长度10-20mm，所述底板的宽度大于所述复合材料成型阴模的外型的宽度10-20mm；
所述结构件与所述复合材料件的粘接面长度为25mm。
7.一种复合材料与结构件界面压剪强度试样的制备方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的用于制备复合材料与结构件界面压剪强度试样的模具进行制备，包括以下步骤：
S1.将所述结构件安装入所述结构件放置阴模中，然后将所述结构件放置阴模、所述复合材料成型阴模、所述底板组装、连接；
S2. 将预混料装填入所述复合材料成型阴模中，合上所述阳模，然后固化成型；
S3. 将固化成型后的制品冷却脱模，得到所述复合材料与结构件界面压剪强度试样。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S1之前还进行：
S0. 对所述结构件的粘接面进行表面处理；所述表面处理为喷砂处理，所述喷砂处理采用粒径为40-80目的白刚玉砂，喷砂压力为0.2-0.8 MPa；
所述结构件为铝合金结构件时，喷砂压力为0.5-0.7MPa；
所述结构件为钢质结构件时，喷砂压力为0.7-0.8MPa；
所述结构件为玻璃钢结构件时，喷砂压力为0.2-0.4MPa。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：
步骤S2之前，还对所述预混料进行预热，预热温度为80-100℃，预热时间为10-60min；
所述预混料为环氧树脂预混料时，预热温度为80-90℃，预热时间为15-30min；
所述预混料为酚醛树脂预混料时，预热温度为85-95℃，预热时间为20-40min；
所述预混料为苯并噁嗪预混料时，预热温度为85-95℃，预热时间为30-60min。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：
步骤S2中，固化成型时的压力为10-30MPa，保温程序为：在100-140℃时保温30-60min，然后以2-5℃/10min的速率升温至150-190℃保温，保温时间通过以下公式计算：t＝5-6min/mm*(d)，其中：d为压制的复合材料总厚度，t为保温时间。
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