CN117325479A - 一种异型内腔复合材料筒形件原位随形加热均质成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种异型内腔复合材料筒形件原位随形加热均质成形方法，碳纤维预浸料及补热胶膜复合铺层设计；加热与补热胶膜制备；碳纤维预浸料与补热胶膜的复合铺放；加热膜与金属外模复合；固化反应；脱模，机加工。本发明提供的异型内腔复合材料筒形件原位随形加热均质成形方法，采用复合材料筒形件原位随形加热均质成形技术，探索变厚度下加热膜与补热胶膜协同控制的均热温度场与压力场耦合作用下的成型机理，形成宏观多尺度温度梯度一体成形技术，实现了大尺寸复杂筒形件产品的均质化、低成本、高效率、低能耗制造，满足产品的各项力学性能指标并达成应用，提升复合材料高端制品在国防领域中的竞争力。
Description
技术领域
本发明属于复合材料成形技术领域，具体涉及一种异型内腔复合材料筒形件原位随形加热均质成形方法。
背景技术
碳纤维复合材料具有最低密度、高比强度、比刚度高、耐腐蚀、耐高温、抗疲劳等突出的优势。然而，复合材料筒形件内部为多筋、多窗、多法兰的尺寸不一的异型结构，传统热压罐成型的温度场不均匀，导致壳体的一致性、耐温性、力学性能、稳定性偏差较大，严重影响复材壳体的可靠性和大规模应用。具体来说，现阶段产品不能均质成形的原因如下：（1）因热压罐成型过程中加热方式及风道，导致产品周向温差大（温差≥30℃）；（2）产品厚度较大、结构复杂，纤维各向异性导致内外层温差较大，尤其是变厚度的异型结构。
同时，传统热压罐成型因效率低、耗能大导致复材筒形件生产制造成本居高不下、生产周期过长，难以满足当前国防工业低成本规模化批产、快速响应生产等重大需求。因此，低成本、高效率的均质成形关键技术开发是解决上述瓶颈问题的必要途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种异型内腔复合材料筒形件原位随形加热均质成形方法，解决了如何复合材料筒形件成形结构复杂、内部温度不均匀的技术问题，采用复合材料筒形件原位随形加热均质成形技术，探索变厚度下加热膜与补热胶膜协同控制的均热温度场与压力场耦合作用下的成型机理，结合无罐吸胶控制的树脂梯度分布，形成宏观多尺度温度梯度一体成形技术，在不使用热压罐或模压设备等常规加压装备基础上，实现大尺寸复杂筒形件产品的均质化、低成本、高效率、低能耗制造，满足产品的各项力学性能指标并达成应用，提升了复合材料高端制品在国防领域中的竞争力。
一种异型内腔复合材料筒形件原位随形加热均质成形方法，具体包括如下的步骤：
步骤S1：进行复合材料筒形件的设计与分析；
步骤S2：碳纤维预浸料及补热胶膜复合铺层设计；
步骤S3：同质树脂的加热膜与补热胶膜的制备；
步骤S4：碳纤维预浸料与补热胶膜的复合铺放；
步骤S5：加热膜与金属外模复合；
步骤S6：固化反应；
步骤S7：脱模，进行机加工。
所述步骤S2中，采用Abaqus软件，嵌入补热胶膜的操作方式，实现对材料变厚度的温度场进行模拟和分隔；
根据变厚度结构将补热胶膜嵌入碳纤维预浸料中，并模拟温度场、模态、静力刚强度及稳定性，确定和优化补热胶膜的位置，实现变厚度温度均匀分布。
所述步骤S4中，根据模拟设计结果，按照角度与层数对碳纤维预浸料进行铺层例如进行手工、电熨斗的热-压力耦合，并将补热胶膜贴敷在碳纤维预浸料表面，类似于电熨斗的热-压力耦合，补热胶膜轴向方向尺寸大于碳纤维预浸料，其两端各10mm，再继续进行碳纤维预浸料铺层；
完成复合铺层后，将前后端的补热胶膜连上电极及线路。
所述步骤S5中，将预先制备好的均匀随形加热膜用粘结剂粘在金属外模表面，通电测试金属外模内部温度均匀性，具体参数为电压-5V直流电，温差≤1℃，使用范围室温-280℃，均匀温度场的温差标准为±2℃，然后对复合铺层后的复合材料进行合模。
进行真空袋抽真空时，将电线及测温热电偶通过真空袋胶条不漏气即可。
所述步骤S6中，在加热膜与补热胶膜均匀温度场和常规压力作用下，热固性树脂的各组分间进行固化交联反应。
本发明的积极效果在于如下几点：
（1）本方案具有均质成形、低成本、低能耗、高效率的优势，替代了传统笨重的热压罐，显著降低资产投入，缩短加热时间、提高生产效率、优化树脂固化质量和一致性，提升产品质量稳定性；
该技术突破了传统热压罐成性效率低、成本高、耗能大等瓶颈问题，实现了成本降低30%、效率提高40%、能耗降低40%、产品一致性提高至98%，达到了国际领先水平；
（2）本方案针对热压罐成型周向温差大的问题，提出金属外模原位随形加热技术，通过加热膜（低压、高转化率）在金属外模表面均匀分布实现四周均热，进而实现绿色、低成本制造；针对结构复杂、异型内腔内外层温差的问题，提出了原位随形补热胶膜补热技术，采用与碳纤维复合材料相同树脂的补热胶膜（0.05mm-0.2mm）贴敷在碳纤维预浸料表面，前后两端连上电极、通电，实现变厚度均匀温度场，形成多尺寸温度梯度均匀成型技术，解决了补热胶膜与加热膜协同控制，且实现均匀温度场的技术问题，实现了补热胶膜与碳纤维预浸料的复合铺层，且实现了加热膜与金属外模的复合。
附图说明
图1为本发明中补热胶膜与碳纤维预浸料的的内嵌结构示意图。
图2为本发明中补热胶膜与碳纤维预浸料的的内嵌主视图。
图3为本发明中金属与金属外模的的连接结构示意图。
其中，附图标记为：1、碳纤维预浸料；2、补热胶膜；3、加热膜；4、金属外模；5、复合材料筒形件；6、电源；A、电流方向；B、温度传递方向。
具体实施方式
为了能更加清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
参见图1-图3，一种异型内腔复合材料筒形件原位随形加热均质成形方法，具体包括如下的步骤：
步骤S1：进行复合材料筒形件5的设计与分析；
具体分析是的产品厚度，加热在厚度变化处会产生温差，类似于产品的外表面与内表面会产品温差，通过模拟产品的变厚度处温差，在温差处加入补热膜，实现温差均衡。
步骤S2：碳纤维预浸料1及补热胶膜2复合铺层设计；
步骤S3：同质树脂的加热膜3与补热胶膜制备，嵌入的膜为补热胶膜2（温度较低10-50度），与金属外模4复合的为加热膜3（温度高，主要加热载体）；
步骤S4：碳纤维预浸料1与补热胶膜2的复合铺放，即在碳纤维预浸料1设计厚度处加入补热胶膜2。
步骤S5：加热膜3与金属外模4复合；
步骤S6：树脂间各组分进行固化反应；
步骤S7：脱模，进行机加工。
需要说明的是，加热膜3为石墨烯材质，金属外模4实质是金属材质的模具。
步骤S2中，采用Abaqus软件，嵌入补热胶膜2的操作方式，实现对材料变厚度的温度场进行模拟和分隔；
根据变厚度结构将补热胶膜2嵌入碳纤维预浸料1中，并模拟温度场、模态、静力刚强度及稳定性，确定和优化补热胶膜2的位置，实现变厚度温度均匀分布；
关于具体模拟的方式，对于本领域技术人员来说，通过Abaqus软件可以实现其具体的操作，在此不再详述。
碳纤维预浸料1的厚度为0.2mm一层，层与层之间叠加，到设定厚度后再加补热胶膜，然后再加碳纤维预浸料1，合上金属外模4固化就可以，金属外模4的外表面是加热膜3，所以加热膜3和碳纤维预浸料1、补热胶膜2是不连接的。
步骤S3中，根据模拟设计结果，按照角度与层数对碳纤维预浸料1进行铺层例如进行手工、电熨斗的热-压力耦合，并将补热胶膜2贴敷在碳纤维预浸料1表面，类似于电熨斗的热-压力耦合，补热胶膜2的轴向方向尺寸大于碳纤维预浸料1，其两端各10mm，再继续进行碳纤维预浸料1铺层；
完成复合铺层后，将前后端的补热胶膜2连上电极及线路。
其中，不同复合材料筒形件的角度和层数都不一样，对于本领域技术人员来说是熟知的常识，在此不再详述。
步骤S5中，将预先制备好的均匀随形加热膜3用粘结剂粘在金属外模4表面，通电测试金属外模4内部温度均匀性，具体参数为电压-5V直流电，温差≤1℃，使用范围室温-280℃，均匀温度场的温差标准为±2℃，然后对复合铺层后的复合材料进行合模。
合模是指将金属外模4与复合材料筒形件5合到一起，产品是指铺层（包含碳纤维预浸料和补热胶膜）后达到需要厚度的坯料，即复合材料筒形件5。
通电测试时，具体来说，利用导线将电源6与加热膜3串联，电流方向A和温度传递方向B参考附图3所示。
进行真空袋抽真空时，将电线及测温热电偶通过真空袋胶条不漏气即可。
步骤S6中，在均匀温度场与常规压力下，热固性树脂的各组分间进行固化交联反应，固化交联反应是热固性树脂的最基本反应，属于专业术语，不再详述。
所谓抽真空就是将合完模的产品放到真空袋内，真空袋的封口需要用胶条连接。
本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种异型内腔复合材料筒形件原位随形加热均质成形方法，其特征在于，具体包括如下的步骤：
步骤S1：进行复合材料筒形件的设计与分析；
步骤S2：碳纤维预浸料及补热胶膜复合铺层模拟设计；
步骤S3：同质树脂的加热膜和补热胶膜制备；
步骤S4：碳纤维预浸料与补热胶膜复合铺放；
步骤S5：加热膜与金属外模复合；
步骤S6：固化反应；
步骤S7：脱模，进行机加工。
2.根据权利要求1所述的异型内腔复合材料筒形件原位随形加热均质成形方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用Abaqus软件，嵌入加热膜的操作方式，实现对材料变厚度的温度场进行模拟和分隔；
根据变厚度结构将补热胶膜嵌入碳纤维预浸料中，并模拟温度场、模态、静力刚强度及稳定性，确定和优化补热胶膜的位置，实现变厚度温度均匀分布。
3.根据权利要求2所述的异型内腔复合材料筒形件原位随形加热均质成形方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据模拟设计结果，按照角度与层数对碳纤维预浸料进行铺层，并将补热胶膜贴敷在碳纤维预浸料表面，补热胶膜轴向方向尺寸大于碳纤维预浸料，再继续进行碳纤维预浸料铺层；
完成复合铺层后，将前后端的补热胶膜连上电极及线路。
4.根据权利要求2所述的异型内腔复合材料筒形件原位随形加热均质成形方法，其特征在于，所述步骤S5中，将预先制备好的均匀随形加热膜用粘结剂粘在金属外模表面，通电测试金属外模内部温度均匀性，然后对复合铺层后的复合材料进行合模。
5.根据权利要求4所述的异型内腔复合材料筒形件原位随形加热均质成形方法，其特征在于，进行真空袋抽真空时，将电线及测温热电偶通过真空袋胶条不漏气即可。
6.根据权利要求1所述的异型内腔复合材料筒形件原位随形加热均质成形方法，其特征在于，所述步骤S6中，热固性树脂的各组分间进行固化交联反应。
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