CN116118219A - 一种高性能碳纤维反射镜背板、制备方法及制备模具 - Google Patents

一种高性能碳纤维反射镜背板、制备方法及制备模具 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种高性能碳纤维反射镜背板、制备方法及制备模具，属于碳纤维复合材料技术领域。解决了现有空间相机承载结构质量大、成型工艺复杂等的问题，成型工艺简单，特别适用于航空航天空间相机的承力结构。其制备工艺具体为模具加工→铺层阳模成型→预浸料铺层→合模固化→脱模修整→机加开口→检验交付。与传统的金属材料遥感相机主背板结构相比，本发明的碳纤维复合材料背板结构具有质量轻、材料密度小、结构强度大等优点，这种碳纤维复合材料背板在支撑空间遥感相机正常工作的同时可高度实现轻量化。

Description

一种高性能碳纤维反射镜背板、制备方法及制备模具
技术领域
本发明属于碳纤维复合材料技术领域，特别是涉及一种高性能碳纤维反射镜背板、制备方法及制备模具。
背景技术
随着空间光学遥感技术的发展，高分辨率、宽视场、高性价比已成为空间相机的发展方向。高性能的要求通常意味着相机的口径更大，焦距更长，这导致相机的质量增加，发射成本提高。因此，需要对空间相机的承力结构进行优化设计，使其在保证性能要求的同时实现高度轻量化。
现有用于与空间飞行器配套的反射镜背板由金属材质制成，结构复杂化，无法满足我国空间飞行器升级换代工程中对其高性能、轻量化的要求。碳纤维复合材料具有重量轻、比强度高、比模量大、热稳定性好、可设计性强等特点。高性能树脂基碳纤维复合材料还具有较高的尺寸稳定性、力学性能和耐空间环境能力，且具有比刚度高、线膨胀系数小的特点，是空间飞行器的首选材料。
反射镜背板是空间相机反射镜的承载结构，为反射镜提供承载接口，保证反射镜的空间位置精度。除此之外，由于反射镜背板采用一体化设计，复合材料铺层设计时需要考虑到铺放工艺成型时既要保证纤维连续，又要铺层角度基准合理、容易实施。这种要求会导致复合材料反射镜背板的成型工艺难度极大。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种高性能碳纤维反射镜背板、制备方法及制备模具，以解决现有空间相机承载结构质量大、成型工艺复杂等的问题，成型工艺简单，特别适用于航空航天空间相机的承力结构。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高性能碳纤维反射镜背板的制备方法，具体包括以下步骤：
A、铺放网格筋工字梁：
准备好高性能碳纤维反射镜背板网格筋工字梁模具，网格筋工字梁由各个模具分瓣组成在一起后采用碳纤维复合材料预浸料按照设计好的铺层进行铺放，铺放好网格工字梁筋后，采用抽真空法对其进行抽真空除气泡处理：
A1准备好抽真空装置，还包括真空袋、隔离膜、透气毡、密封胶条、金属平板。
A2将铺完复合材料碳纤维预浸料的金属模具分瓣用隔离膜包裹好，然后再包上一层透气毡。
A3在金属平板四周粘好密封胶条，并将铺放好的碳纤维预浸料金属分瓣放进真空袋中，对真空袋进行抽真空，在真空袋内压力达到-95KPa，并保持60-90min，充分排除掉复合材料预浸料各铺层间的空气。
A4观察抽真空厚的预浸料状态，如预浸料表面光滑无褶皱则转A5，如果预浸料表面不够光滑，凹凸不平则重复步骤A3。
A5依次取下真空袋、透气毡、隔离膜，将各个金属分瓣按照一定顺序组装起来，为下一步骤铺放连续蒙皮做准备。
B、铺放连续蒙皮：
按照设计好的铺层，以一定顺序铺放复合材料碳纤维预浸料蒙皮，本发明设计的模具可最大限度的保证碳纤维预浸料的连续，而且本发明设计的模具结构简单，易组装、易脱模。
C、整体抽真空：
为了保证高性能碳纤维反射镜背板整个结构的稳定性与可靠性，本发明在所有模具拼装完，所有蒙皮部分铺放完毕后，模具整体采用真空袋进行抽真空，具体步骤与A1-A5相同：
C1准备好抽真空装置，还包括真空袋、隔离膜、透气毡、密封胶条、金属平板。
C2将铺完复合材料碳纤维预浸料的整体模具用隔离膜包裹好，然后再包上一层透气毡。
C3在金属平板四周粘好密封胶条，并将铺放好的碳纤维预浸料整体金属模具放进真空袋中，对真空袋进行抽真空，在真空袋内压力达到-95KPa，并保持60-90min，充分排除掉复合材料预浸料各铺层间的空气。
C4观察抽真空厚的预浸料状态，如预浸料表面光滑无褶皱则转C5，如果预浸料表面不够光滑，凹凸不平则重复步骤C3。
C5依次取下真空袋、透气毡和隔离膜，为下一步骤固化做准备。
D、固化：
将整个碳纤维反射镜背板放进固化炉中按照环氧树脂的固化温度进行固化，固化完成后，待固化炉内温度自然冷却至室温后打开固化炉，将产品脱模。
更进一步的，所述预浸料由高模量碳纤维和高性能环氧树脂组成，预浸料中环氧树脂的环氧值≥0.85，挥发物含量≤2％，凝胶时间为(40±5)min，拉伸模量≥330GPa。
更进一步的，预浸料为热熔法制备，单层厚度0.15mm，碳纤维体积含量为(58±2)％，单位面积质量为(300±5)g/m2。
更进一步的，预浸料铺放方式为：采用厚度为的0.15mm厚的纤维与树脂组成的预浸料按照0°、90°、45°或-45°铺层角度循环铺放。
更进一步的，将加工好的网格工字梁筋和蒙皮采用胶粘剂和螺栓进行装配，保证工作状态下的结构强度。
一种高性能碳纤维反射镜背板的制备方法制备的背板，包括网格工字梁筋和蒙皮，所述网格工字梁筋外包有蒙皮，所述网格工字梁筋与蒙皮预浸料一体成型，所述蒙皮包括背板顶面蒙皮、背板侧面蒙皮和背板底面蒙皮，所述网格工字梁筋上下分别包有背板顶面蒙皮和背板底面蒙皮，四周包有背板侧面蒙皮。
更进一步的，所述网格工字梁筋的每个边的厚度为1mm-2mm。
更进一步的，所述网格工字梁筋为内中空构型工字梁结构，所述内中空构型工字梁结构由反C字型结构和C字型结构组合而成。
一种高性能碳纤维反射镜背板的制备方法利用的制备模具，包括上加压盖板、底板模具、外模、外加压框和多个模具分瓣，多个模具分瓣固定在底板模具上，多个模具分瓣设置在碳纤维复合材料底板内部，所述碳纤维复合材料底板外周设置有外模，所述外模外设置有外加压框，所述碳纤维复合材料底板上方设置有上加压盖板。
更进一步的，所述外模包括左侧外模、右侧外模、前侧外模和后侧外模，所述左侧外模、右侧外模、前侧外模和后侧外模合围设置。
更进一步的，多个模具分瓣通过螺栓固定在底板模具上。
与现有技术相比，本发明所述的一种高性能碳纤维反射镜背板、制备方法及制备模具的有益效果是：
(1)本发明采用高性能碳纤维环氧树脂预浸料，按照设计好的铺层在金属模具上铺放成型，铺放完成后，采用真空袋法对其进行抽真空除气泡，解决了预浸料铺放过程中各铺层间的气泡问题，提高了复合材料碳纤维反射镜背板的产品质量。
(2)本发明所述的高性能碳纤维反射镜背板，采用特制模具既保证了碳纤维预浸料的连续，又保证了碳纤维反射镜背板产品容易脱模，满足设计要求。
(3)本发明设计的金属模具简单，在铺放碳纤维预浸料模具表面不产生架桥，各层预浸料间能够较好地贴合在一起，保证碳纤维反射镜背板产品符合预期。
(4)本发明设计了一种高性能碳纤维反射镜背板制备方法，采用此方法制备的高性能碳纤维反射镜背板易成型、易脱模，模具制造简单。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明碳纤维复合材料背板的正三轴测图；
图2是本发明碳纤维复合材料背板俯视图；
图3是本发明碳纤维复合材料背板仰视图；
图4是本发明碳纤维复合材料背板模具示意图；
图5是本发明碳纤维复合材料背板模具爆炸图；
图6是本发明碳纤维复合材料背板模具的模具分瓣在底板模具上的放大示意图；
图中标记如下：
图中：1-网格工字梁筋；2-背板顶面蒙皮；3-背板侧面蒙皮；4-背板底面蒙皮；5-上加压盖板；6-左侧外模；7-右侧外模；8-底板模具；9-前侧外模；10-后侧外模；11-碳纤维复合材料底板；12-外模；13-外加压框；14-模具分瓣。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，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。
一、具体实施方式，参见图1-6说明本实施方式，一种高性能碳纤维反射镜背板的制备方法，具体包括以下步骤：
A、铺放网格工字梁筋1：
准备好高性能碳纤维反射镜背板网格筋工字梁模具，网格工字梁筋1由各个模具分瓣14组成在一起后采用碳纤维复合材料预浸料按照设计好的铺层进行铺放，铺放好网格工字梁筋1后，采用抽真空法对其进行抽真空除气泡处理：
A1准备好抽真空装置，还包括真空袋、隔离膜、透气毡、密封胶条和金属平板；
A2将铺完复合材料碳纤维预浸料的金属分瓣模具用隔离膜包裹好，然后再包上一层透气毡；
A3在金属平板四周粘好密封胶条，并将铺放好的碳纤维预浸料金属分瓣放进真空袋中，对真空袋进行抽真空，在真空袋内压力达到-95KPa，并保持60-90min，充分排除掉复合材料预浸料各铺层间的空气；
A4观察抽真空厚的预浸料状态，如预浸料表面光滑无褶皱则转A5，如果预浸料表面不够光滑，凹凸不平则重复步骤A3；
A5依次取下真空袋、透气毡和隔离膜，将各个模具分瓣按照一定顺序组装起来，为下一步骤铺放连续蒙皮做准备；
B、铺放连续蒙皮：
按照设计好的铺层，以一定顺序铺放复合材料碳纤维预浸料蒙皮；
C、整体抽真空：
为了保证高性能碳纤维反射镜背板整个结构的稳定性与可靠性，在所有模具拼装完，所有蒙皮部分铺放完毕后，模具整体采用真空袋进行抽真空；
C1准备好抽真空装置，还包括真空袋、隔离膜、透气毡、密封胶条、金属平板；
C2将铺完复合材料碳纤维预浸料的整体模具用隔离膜包裹好，然后再包上一层透气毡；
C3在金属平板四周粘好密封胶条，并将铺放好的碳纤维预浸料整体金属模具放进真空袋中，对真空袋进行抽真空，在真空袋内压力达到-95KPa，并保持60-90min，充分排除掉复合材料预浸料各铺层间的空气；
C4观察抽真空厚的预浸料状态，如预浸料表面光滑无褶皱则转C5，如果预浸料表面不够光滑，凹凸不平则重复步骤C3；
C5依次取下真空袋、透气毡和隔离膜，为下一步骤固化做准备；
D、固化：
将整个碳纤维反射镜背板放进固化炉中按照环氧树脂的固化温度进行固化，固化完成后，待固化炉内温度自然冷却至室温后打开固化炉，将产品脱模。
以上所述方法为一种金属对模工艺，配合热熔预浸料制造技术，制造出一种封闭的内网格加筋结构(见图1)，实现了易铺层、易成型、易固化、易脱模等工艺环节。制定的工艺流程如下：模具加工→铺层阳模成型→预浸料铺层→合模固化→脱模修整→机加开口→检验交付。
按照铺层设计要求在模具分瓣14上进行铺放，分瓣预浸料铺放完成后采用真空袋法对各个金属模具进行抽真空除气泡处理；背板顶面蒙皮2、背板侧面蒙皮3、背板底面蒙皮4在各个金属模具分瓣14完成铺放和抽真空后，采用连续不断的碳纤维预浸料一体成型。
网格工字梁筋1采用分瓣模具对模成型工艺和预浸料铺放成型工艺制备成型；将所有预浸料铺发完成的分瓣模具组装在一起后，采用预浸料一体化成型蒙皮。
预浸料由高模量碳纤维和高性能环氧树脂组成。预浸料中环氧树脂的环氧值≥0.85，挥发物含量≤2％，凝胶时间(105℃)(40±5)min，拉伸模量≥330GPa。
预浸料的制备：
预浸料的制备通常使用热熔法，经过热处理或化学处理的增强材料，经浸胶槽浸渍树脂胶液，通过刮胶装置和牵引装置控制预浸料的树脂含量，在一定温度下，经过一定时间的烘烤，完成预浸料的制备。
预浸料为热熔法制备，单层厚度0.15mm，碳纤维体积含量为(58±2)％，单位面积质量为(300±5)g/m2。
对模成型工艺和预浸料铺放成型工艺：
金属对模工艺为在金属阴模或金属阳模上按照要求先进行预浸料铺放，铺放完成后将金属阳模或金属阴模合上，在一定温度和一定压力下进过一段时间完成固化的一种工艺。本发明具体为在150摄氏度和-90KPa～-80KPa压力下经过5小时完成固化的一种工艺。
预浸料铺放工艺为具有一定厚度的纤维与树脂组成的预浸料按照一定铺层方式和铺层角度，按照顺序铺放的复合材料成型工艺，此工艺可以发挥复合材料可设计性强的优点，满足尺寸大、异型结构的成型。本发明采用厚度为0.15mm厚的预浸料进行产品的设计，采用0°、90°、45°或-45°等铺层角度循环铺放的方式进行。
与传统的金属材料遥感相机主背板结构相比，本发明的碳纤维复合材料背板结构具有质量轻、材料密度小、结构强度大等优点，这种碳纤维复合材料背板在支撑空间遥感相机正常工作的同时可高度实现轻量化。
与目前的碳纤维复合材料背板相比，本发明的碳纤维复合材料背板由更为稳定的内中空构型工字梁结构组成，这种内中空构型工字梁结构由反C字型结构和C字型结构组合而成，反C字型结构和C字型结构通过金属模具组合在一起之后，呈现“工”字，这种“工”字结构在保证大承载的同时，降低了整个遥感相机系统的质量，并保证整个遥感相机系统的高稳定性和高尺寸精度，且各个网格工字梁筋1与蒙皮一体成型，既提高整体刚度，又为后续装配提供接口。
复合材料相较于金属材料具有密度更小，比强度高、比模量高等优点，故复合材料与金属材料在相同承载的情况下质量更小，在航空航天领域，复合材料作为遥感相机的支撑结构，可显著降低整个空间系统的质量，对于降低卫星发射成本、提高整个遥感相机系统的稳定性具有重大作用。且由于复合材料的可设计性强，在满足设计要求的同时，可通过优化碳纤维预浸料的成型方式提高遥感相机的尺寸精度。
网格工字梁筋1的每个边的厚度可控制在1mm-2mm之间。本发明的结构由高性能复合材料碳纤维预浸料成型，复合材料碳纤维预浸料可设计性强，可根据载荷大小灵活控制工字梁结构的厚度，如承载小，网格工字梁筋1的每个边厚度可以控制在1mm左右；如承载大，网格工字梁筋1的每个边厚度可以控制在2mm左右。与之一体成型的蒙皮结构需按照网格工字梁筋1结构的厚度呈正相关成型以满足设计要求，且蒙皮的大小可根据要求设计。
本发明所述的高性能碳纤维反射镜背板，属碳纤维复合材料技术领域，材料比刚度高、比模量大，采用一种金属对模加压工艺，此成型工艺简单。
复合材料反射镜背板采用碳纤维增强复合材料，其作用在保证性能要求的同时实现高度轻量化。反射镜背板是空间相机反射镜的承载结构，为反射镜提供承载接口，保证反射镜的空间位置精度。
本发明所述的碳纤维增强复合材料反射镜背板的结构复杂，属于异形构件，从而其成型模具尺寸较大，所需分瓣较多，所有模具分瓣14形面都存在吻合的问题，如吻合不好，将直接影响产品的性能及结构尺寸。
本发明设计一种空间相机用碳纤维背板模具，包括上加压盖板5、底板模具8、外模12、外加压框13和多个模具分瓣14，多个模具分瓣14固定在底板模具8上，多个模具分瓣14设置在碳纤维复合材料底板11内部，所述碳纤维复合材料底板11外周设置有外模12，所述外模12外设置有外加压框13，所述碳纤维复合材料底板11上方设置有上加压盖板5。
所述外模12包括左侧外模6、右侧外模7、前侧外模9和后侧外模10，所述左侧外模6、右侧外模7、前侧外模9和后侧外模10合围设置。
图5为碳纤维复合材料背板模具爆炸图，图5也是图4的详细三维示意图，该模具的各个模具分瓣14单独制造，和底板模具8组装成工字梁结构。各模具分瓣保证了碳纤维背板的形状和尺寸精度满足设计要求，底板模具8保证各个模具分瓣14可固定。
当模具分瓣14全部铺放完成预浸料后，将所有模具分瓣14用螺栓固定在底板模具8上(模具固定在底板模具示意图见图5)，然后进行蒙皮的铺放，当蒙皮铺放完成后，合模，合模顺序为先合左侧外模6、右侧外模7，再合前侧外模9、后侧外模10，最后合上加压盖板5，合模的位置如图4箭头所指方向所示。
模具分瓣14铺放完预浸料后，用螺栓固定在底板模具8上，本发明设计的模具结构简单，便于拆卸，在合模时不会对预浸料造成不良影响，避免了预浸料“架桥悬空”和纤维不连续等缺点，保证了背板产品的性能。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (10)

1.一种高性能碳纤维反射镜背板的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
A、铺放网格工字梁筋(1)：
准备好高性能碳纤维反射镜背板网格筋工字梁模具，网格工字梁筋(1)由各个模具分瓣(14)组成在一起后采用碳纤维复合材料预浸料按照设计好的铺层进行铺放，铺放好网格工字梁筋(1)后，采用抽真空法对其进行抽真空除气泡处理：
A1准备好抽真空装置，还包括真空袋、隔离膜、透气毡、密封胶条和金属平板；
A2将铺完复合材料碳纤维预浸料的金属分瓣模具用隔离膜包裹好，然后再包上一层透气毡；
A3在金属平板四周粘好密封胶条，并将铺放好的碳纤维预浸料金属分瓣放进真空袋中，对真空袋进行抽真空，在真空袋内压力达到-95KPa，并保持60-90min，充分排除掉复合材料预浸料各铺层间的空气；
A4观察抽真空厚的预浸料状态，如预浸料表面光滑无褶皱则转A5，如果预浸料表面不够光滑，凹凸不平则重复步骤A3；
A5依次取下真空袋、透气毡和隔离膜，将各个模具分瓣按照一定顺序组装起来，为下一步骤铺放连续蒙皮做准备；
B、铺放连续蒙皮：
按照设计好的铺层，铺放复合材料碳纤维预浸料蒙皮；
C、整体抽真空：
为了保证高性能碳纤维反射镜背板整个结构的稳定性与可靠性，在所有模具拼装完，所有蒙皮部分铺放完毕后，模具整体采用真空袋进行抽真空；
C1准备好抽真空装置，还包括真空袋、隔离膜、透气毡、密封胶条、金属平板；
C2将铺完复合材料碳纤维预浸料的整体模具用隔离膜包裹好，然后再包上一层透气毡；
C3在金属平板四周粘好密封胶条，并将铺放好的碳纤维预浸料整体金属模具放进真空袋中，对真空袋进行抽真空，在真空袋内压力达到-95KPa，并保持60-90min，充分排除掉复合材料预浸料各铺层间的空气；
C4观察抽真空厚的预浸料状态，如预浸料表面光滑无褶皱则转C5，如果预浸料表面不够光滑，凹凸不平则重复步骤C3；
C5依次取下真空袋、透气毡和隔离膜，为下一步骤固化做准备；
D固化：
将整个碳纤维反射镜背板放进固化炉中按照环氧树脂的固化温度进行固化，固化完成后，待固化炉内温度自然冷却至室温后打开固化炉，将产品脱模。
2.根据权利要求1所述的高性能碳纤维反射镜背板的制备方法，其特征在于：所述预浸料由高模量碳纤维和高性能环氧树脂组成，预浸料中环氧树脂的环氧值≥0.85，挥发物含量≤2％，凝胶时间为(40±5)min，拉伸模量≥330GPa。
3.根据权利要求2所述的高性能碳纤维反射镜背板的制备方法，其特征在于：预浸料为热熔法制备，单层厚度0.15mm，碳纤维体积含量为(58±2)％，单位面积质量为(300±5)g/m2。
4.根据权利要求1、2或3所述的高性能碳纤维反射镜背板的制备方法，其特征在于：蒙皮预浸料铺放方式为：采用厚度为的0.15mm厚的纤维与树脂组成的预浸料按照0°、90°、45°或-45°铺层角度循环铺放。
5.一种如权利要求1所述的高性能碳纤维反射镜背板的制备方法制备的背板，其特征在于：包括网格工字梁筋(1)和蒙皮，所述网格工字梁筋(1)外包有蒙皮，所述网格工字梁筋(1)与蒙皮预浸料一体成型，所述蒙皮包括背板顶面蒙皮(2)、背板侧面蒙皮(3)和背板底面蒙皮(4)，所述网格工字梁筋(1)上下分别包有背板顶面蒙皮(2)和背板底面蒙皮(4)，四周包有背板侧面蒙皮(3)。
6.根据权利要求5所述的高性能碳纤维反射镜背板，其特征在于：所述网格工字梁筋(1)的每个边的厚度为1mm-2mm。
7.根据权利要求5所述的高性能碳纤维反射镜背板，其特征在于：所述网格工字梁筋(1)为内中空构型工字梁结构，所述内中空构型工字梁结构由反C字型结构和C字型结构组合而成。
8.一种如权利要求1所述的高性能碳纤维反射镜背板的制备方法利用的制备模具，其特征在于：包括上加压盖板(5)、底板模具(8)、外模(12)、外加压框(13)和多个模具分瓣(14)，多个模具分瓣(14)固定在底板模具(8)上，多个模具分瓣(14)设置在碳纤维复合材料底板(11)内部，所述碳纤维复合材料底板(11)外周设置有外模(12)，所述外模(12)外设置有外加压框(13)，所述碳纤维复合材料底板(11)上方设置有上加压盖板(5)。
9.根据权利要求8所述的高性能碳纤维反射镜背板的制备模具，其特征在于：所述外模(12)包括左侧外模(6)、右侧外模(7)、前侧外模(9)和后侧外模(10)，所述左侧外模(6)、右侧外模(7)、前侧外模(9)和后侧外模(10)合围设置。
10.根据权利要求8所述的高性能碳纤维反射镜背板的制备模具，其特征在于：多个模具分瓣(14)通过螺栓固定在底板模具(8)上。
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