CN218906360U - 一种高刚度碳纤维支撑框架及其制备模具 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种高刚度碳纤维支撑框架及其制备模具，属于高性能树脂基复合材料技术领域。解决了闭合支撑环矩形截面模具设计成型难度大、模具形位精度要求高、预浸料铺放时层间产生气泡，模具分瓣拼在一起时圆角区域空腔等一系列成型工艺复杂等问题，本实用新型的碳纤维复合材料框架分为复合材料工字梁加强筋和大尺寸蒙皮两个部分，复合材料工字梁加强筋和大尺寸蒙皮一体成型、共同固化，工字梁加强筋采用预浸料一体成型，固化后脱模、加工；蒙皮采用预浸料一体成型，固化后脱模、加工。本实用新型的结构刚度高，支撑性能好，成型工艺简单，特别适用于高性能支撑件中。

Description

一种高刚度碳纤维支撑框架及其制备模具

技术领域

本实用新型属于高性能树脂基复合材料技术领域，特别是涉及一种高刚度碳纤维支撑框架及其制备模具。

背景技术

随着遥感技术的发展和结构加工工艺的进步，对遥感相机主支撑结构的轻量化设计技术研究成为了可能，既减轻相机的整体重量，又提高相机的整体稳定性，是新型相机主支撑结构研制的目标。

现有技术生产的遥感相机支撑结构，在减轻相机整体重量的同时往往不能兼顾整个相机系统的稳定性，而为了保证整个相机系统稳定性，往往以增加整个系统的重量为代价。

实用新型内容

有鉴于此，为了解决闭合支撑环矩形截面模具设计成型难度大、模具形位精度要求高、预浸料铺放时层间产生气泡，模具分瓣拼在一起时圆角区域空腔等一系列成型工艺复杂等问题，本实用新型提出一种高刚度碳纤维支撑框架、制备方法及其制备模具，结构刚度高，支撑性能好，成型工艺简单，特别适用于高性能支撑件中。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种高刚度碳纤维支撑框架，包括复合材料工字梁加强筋和蒙皮，所述复合材料工字梁加强筋外包有蒙皮，且一体成型；

所述复合材料工字梁加强筋包括反C字型工字梁筋、C字型工字梁筋和上下一字型工字梁筋，所述反C字型工字梁筋和C字型工字梁筋背对设置，上下一字型工字梁筋分别设置在反C字型工字梁筋和C字型工字梁筋的上方和下方。

更进一步的，所述反C字型工字梁筋包括反C字型上横边、反C字型下横边和反C字型直边，所述反C字型直边上垂直设置有反C字型上横边，所述反C字型直边下垂直设置有反C字型下横边。

更进一步的，所述C字型工字梁筋包括C字型上横边、C字型下横边和C字型直边，所述C字型直边上垂直设置有C字型上横边，所述C字型直边下垂直设置有C字型下横边。

更进一步的，所述上下一字型工字梁筋包括一字型工字梁上直边和一字型工字梁下直边。

更进一步的，一字型工字梁上直边和一字型工字梁下直边为整体连续的蒙皮结构。

更进一步的，在反C字型工字梁筋分瓣模具上横边、C字型工字梁筋分瓣模具上横边和补平的圆角上铺放复合材料工字梁上蒙皮，在反C字型工字梁筋分瓣模具下横边、C字型工字梁筋分瓣模具下横边和补平的圆角上铺放复合材料工字梁下蒙皮。

更进一步的，所述复合材料工字梁上蒙皮和复合材料工字梁下蒙皮纤维连续。

一种制备高刚度碳纤维支撑框架的模具，包括多个模具分瓣、外模、外加压框、底板模具和上加压板，多个模具分瓣组合后外周设置有外模，所述外模外周设置有外加压框，所述模具分瓣和外模上设置有上加压板，所述多个模具分瓣固定在底板模具上。

更进一步的，所述模具分瓣包括反C字型工字梁筋分瓣模具和C字型工字梁筋分瓣模具，反C字型工字梁筋分瓣模具和C字型工字梁筋分瓣模具拼在一起。

更进一步的，反C字型工字梁筋分瓣模具上横边和C字型工字梁筋分瓣模具上横边保持同一水平；反C字型工字梁筋分瓣模具下横边和C字型工字梁筋分瓣模具下横边保持同一水平。

与现有技术相比，本实用新型所述的一种高刚度碳纤维支撑框架及其制备模具的有益效果是：

(1)本实用新型采用高刚度碳纤维支撑框架的制备模具，制备了一种整体结构质量轻、材料密度小、结构强度大的支撑框架结构。

(2)本实用新型设计的模具简单、成型工艺简单，解决了模具设计难度大、形位精度要求高等难题，以期为以后制备此类产品做出参考。

(3)本实用新型制造的高刚度碳纤维支撑框架的结构刚度高、支撑性能好、成型工艺简单。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型所述的一种高刚度碳纤维支撑框架的立体图；

图2为本实用新型所述的一种高刚度碳纤维支撑框架中工字梁加强筋和模具的整体示意图；

图3为本实用新型所述的一种高刚度碳纤维支撑框架中工字梁加强筋的模具的立体图；

图中：1-复合材料工字梁加强筋；2-复合材料蒙皮；3-模具分瓣，4-外模，5-外加压框，6-底板模具，7-上加压板，8-复合材料产品，1-a-复合材料工字梁上蒙皮；7-a-复合材料一字型工字梁上直边模具；5-a-反C字型工字梁筋上横边；5-b-反C字型工字梁筋下横边；3-b-反C字型工字梁筋直边；6-a-反C字型工字梁筋分瓣模具；2-a-C字型工字梁筋上横边；2-b-C字型工字梁筋下横边；3-a-C字型工字梁筋直边；6-b-C字型工字梁筋分瓣模具；1-b-复合材料工字梁下蒙皮；7-b-复合材料一字型工字梁下直边模具；4-a-复合材料一字型工字梁上直边、反C字型工字梁筋、C字型工字梁筋过渡圆角；4-b-复合材料一字型工字梁下直边、反C字型工字梁筋、C字型工字梁筋过渡圆角。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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，本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

一、具体实施方式一，参见图1-3说明本实施方式，一种高刚度碳纤维支撑框架包括复合材料工字梁加强筋1和蒙皮2，所述复合材料工字梁加强筋1外包有蒙皮2，且由预浸料铺放共固化一体成型；

所述复合材料工字梁加强筋1包括反C字型工字梁筋、C字型工字梁筋和上下一字型工字梁筋，所述反C字型工字梁筋和C字型工字梁筋背对设置，上下一字型工字梁筋分别设置在反C字型工字梁筋和C字型工字梁筋的上方和下方。

所述反C字型工字梁筋包括反C字型上横边、反C字型下横边和反C字型直边，所述反C字型直边上垂直设置有反C字型上横边，所述反C字型直边下垂直设置有反C字型下横边。

所述C字型工字梁筋包括C字型上横边、C字型下横边和C字型直边，所述C字型直边上垂直设置有C字型上横边，所述C字型直边下垂直设置有C字型下横边。

所述上下一字型工字梁筋包括一字型工字梁上直边和一字型工字梁下直边，其中一字型工字梁上直边和一字型工字梁下直边为整体连续的蒙皮结构。

高刚度碳纤维复合材料框架，是一种中空工字梁结构，此工字梁结构对称，具有较大的惯性矩和扭转刚度，可承受较大的载荷。碳纤维复合材料框架分为复合材料工字梁加强筋1和大尺寸蒙皮2两个部分。复合材料工字梁加强筋1结构和大尺寸蒙皮2一体成型、共同固化。

本实用新型的工字梁筋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2；

脱模后对该框架进行机械加工，在保证产品尺寸精度和质量稳定性前提下，减少对纤维的机械损伤。

复合材料框架采用高性能碳纤维增强高性能树脂复合材料，其工字梁加强筋结构负责承担载荷，且此工字梁结构有效减轻了整个框架的重量。

工字梁加强筋1的每个边(例如上横边和下横边)厚度控制在1mm-2mm之间，本实用新型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，工字梁加强筋1的每个边的厚度可以控制在1mm左右；如承载大，工字梁加强筋1的每个边的厚度可以控制在2mm左右。与之一体成型的蒙皮结构需按照工字梁结构的厚度呈正相关成型以满足设计要求，且蒙皮2的大小可根据要求设计。

与传统的金属材料遥感相机主支撑框架结构相比，本实用新型的碳纤维复合材料支撑框架结构具有质量轻、材料密度小、结构强度大等优点，这种碳纤维复合材料支撑框架在支撑空间遥感相机正常工作的同时可高度实现轻量化。目前，已有采用碳纤维复合材料进行空间遥感相机支撑结构框架的研究，与目前的碳纤维复合材料支撑结构框架相比，本专利实用新型的碳纤维复合材料支撑框架结构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。且各个工字梁结构与蒙皮一体成型，既提高整体刚度，又为后续装配提供接口。

本实用新型采用的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。

本实用新型采用高性能碳纤维和高性能树脂组成的预浸料体系，此体系具有较高的力学性能、耐热性能、尺寸稳定性、空间逸气性能和低吸湿、低介电性。

本实用新型采用热熔预浸料制造技术及金属对模成型工艺，实现了易铺层、易成型、易脱模等关键工艺环节。

本实用新型复合材料成型需要在一定温度和压力下进行，适当的压力可以使树脂在固化过程中充分流动，同时排出树脂内部的气泡，形成致密的结构，减少气泡、分层等内部缺陷，保证复合材料产品的成型质量，因此在固化成型过程中的加压极为重要。

所述的高刚度碳纤维支撑框架的制备方法，具体包括以下步骤：

1、原材料准备

(1)准备好模具分瓣3，所述模具分瓣3包括反C字型工字梁筋分瓣模具6-a和C字型工字梁筋分瓣模具6-b；

(2)准备好高性能碳纤维环氧树脂预浸料，并裁成合适样板；

(3)准备好抽真空装置；

2、制备工字梁加强筋1

(1)采用真空袋法制备碳纤维复合材料工字梁筋1，所述碳纤维复合材料工字梁1尺寸符合设计要求的反C字型和C字型；

(2)在反C字型工字梁筋分瓣模具6-a和C字型工字梁筋分瓣模具6-b上分别按照设计好的铺层铺贴碳纤维环氧树脂预浸料；

3、抽真空

(1)在反C字型工字梁筋分瓣模具6-a和C字型工字梁筋分瓣模具6-b上贴好预浸料后，在预浸料表面上包好隔离膜和透气毡；

(2)将包好的反C字型工字梁筋分瓣模具6-a和C字型工字梁筋分瓣模具6-b放在真空袋里；

(3)将准备好的真空袋放在平整的金属平板模具上，并在金属平板的四周用密封胶条密封；

(4)对真空袋进行抽真空，当真空袋内的真空度达到所需值后，保持一段时间，此步为了排除预浸料铺放过程中，各层预浸料之间的空气；

(5)完后以上步骤后，卸下真空装置，将铺完预浸料的反C字型工字梁筋分瓣模具6-a和C字型工字梁筋分瓣模具6-b上的隔离膜、透气毡、真空袋取下，为下步模具组装做好准备；

4、模具组装

将铺完预浸料和抽完真空的反C字型工字梁筋分瓣模具6-a和C字型工字梁筋分瓣模具6-b组装起来：(1)反C字型工字梁筋分瓣模具6-a和C字型工字梁筋分瓣模具6-b直边拼在一起；

(2)反C字型工字梁筋分瓣模具6-a和C字型工字梁筋分瓣模具6-b直边拼在一起后，反C字型工字梁筋分瓣模具6-a上横边和C字型工字梁筋分瓣模具6-b上横边保持同一水平；

(3)反C字型工字梁筋分瓣模具6-a直边和C字型工字梁筋分瓣模具6-b直边拼在一起后，反C字型工字梁筋分瓣模具6-a下横边和C字型工字梁筋分瓣模具6-b下横边保持同一水平，模具组装后，在反C字型工字梁筋分瓣模具6-a上横边和C字型工字梁筋分瓣模具6-b上横边所形成过渡圆角上补满一定量的预浸料，之后在反C字型模具上横边、C字型模具上横边和补平的圆角上铺放复合材料工字梁上蒙皮1-a，在反C字型模具下横边和C字型模具下横边所形成过渡圆角上补满一定量的预浸料，之后在反C字型模具下横边、C字型模具下横边和补平的圆角上铺放复合材料工字梁下蒙皮1-b；最后组装复合材料一字型工字梁上直边模具7-a和复合材料一字型工字梁下直边模具8-b进行热膨胀加压；

反C字型工字梁筋分瓣模具6-a上横边、C字型工字梁筋分瓣模具6-b上横边和一字型模具下直边三个部分拼在一起后出现一个圆角R，与此相同的是，反C字型工字梁筋分瓣模具6-a下横边、C字型工字梁筋分瓣模具6-b下横边和一字型模具上直边三个部分拼在一起后出现一个体积相同的圆角R，经过计算，在反C字型工字梁筋分瓣模具6-a上横边、C字型工字梁筋分瓣模具6-b上横边和一字型模具下直边自然形成的圆角上填充一定量的预浸料；在反C字型工字梁筋分瓣模具6-a下横边、C字型工字梁筋分瓣模具6-b下横边和一字型模具上直边自然形成的圆角上填充等量的预浸料；反C字型工字梁筋分瓣模具6-a、C字型工字梁筋分瓣模具6-b和上下两个一字型模具共同构成一个完整的模具组；所有分瓣模具3拼接完成之后，用预浸料铺放框架蒙皮，蒙皮一体化成型，将所有工字梁筋包裹起来，形成完整的一体化结构。

5、固化工字梁加强筋和蒙皮

采用金属对模工艺将铺放完成后的各个部分模具组装起来，放入固化炉中，在一定的温度和压力下让树脂在固化过程中充分流动，排出树脂内部的气泡，形成致密的结构，分层等内部缺陷，保证复合材料产品的成型质量；固化完成后，固化炉内温度自然冷却到室温后脱模；脱模后对该框架进行机械加工，在保证产品尺寸精度和质量稳定性前提下，减少对纤维的机械损伤。

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。

本实用新型采用高性能碳纤维和高性能树脂组成的预浸料体系，此体系具有较高的力学性能、耐热性能、尺寸稳定性、空间逸气性能和低吸湿、低介电性，采用热熔预浸料制造技术及金属对模成型工艺，实现了易铺层、易成型、易脱模等关键工艺环节。

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。

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。

对模成型工艺和预浸料铺放成型工艺：

对模成型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。本实用新型具体为在150摄氏度和-90KPa～-80KPa压力下经过5小时完成固化的一种工艺。

复合材料成型需要在一定温度和压力下进行，适当的压力可以使树脂在固化过程中充分流动，同时排出树脂内部的气泡，形成致密的结构，减少气泡、分层等内部缺陷，保证复合材料产品的成型质量，因此在固化成型过程中的加压极为重要。

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。本实用新型采用厚度为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。

一种高刚度碳纤维支撑框架的制备模具，包括多个模具分瓣3、外模4、外加压框5、底板模具6和上加压板7，多个模具分瓣3组合后外周设置有外模4，所述外模4外周设置有外加压框5，所述模具分瓣3和外模4上设置有上加压板7，所述多个模具分瓣3固定在底板模具6上。

本实用新型设计一种金属对模成型成型支撑框架模具，这种模具由各模具分瓣3和底板模具6组成，各模具分瓣3保证了工字梁结构的尺寸与精度，底板模具6为各模具分瓣3提供准确形位，以便所有模具分瓣3连接起来，为之后整体铺放预浸料蒙皮做准备，且这种模具的组装和脱模都大大减少了时间，加快了整个成型周期，为此类支撑框架结构的批量化生产提供了可能。设计的此种模具保证产品壁厚及精度的同时，保证了产品的整体尺寸稳定性。

图3为框架模具爆炸示意图，上加压盖板7为复合材料产品在固化成型过程中提供压力；8为复合材料产品；所有工字梁筋都是在模具分瓣3上用预浸料成型；外模4为复材产品提供精确的尺寸外形；外加压框5为产品在固化成型中提供四周侧向压力，从而保证产品的尺寸；所有模具分瓣3铺放完成后，用螺栓固定在模具底板6上，所有模具分瓣3都固定在模具底板6上后，所设计的工字梁筋1全部成型完毕，最后进行蒙皮2的成型。

以上公开的本实用新型实施例只是用于帮助阐述本实用新型。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型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实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。

Claims (10)

1.一种高刚度碳纤维支撑框架，其特征在于：包括复合材料工字梁加强筋(1)和蒙皮(2)，所述复合材料工字梁加强筋(1)外包有蒙皮(2)，且一体成型；

所述复合材料工字梁加强筋(1)包括反C字型工字梁筋、C字型工字梁筋和上下一字型工字梁筋，所述反C字型工字梁筋和C字型工字梁筋背对设置，上下一字型工字梁筋分别设置在反C字型工字梁筋和C字型工字梁筋的上方和下方。

2.根据权利要求1所述的高刚度碳纤维支撑框架，其特征在于：所述反C字型工字梁筋包括反C字型上横边、反C字型下横边和反C字型直边，所述反C字型直边上垂直设置有反C字型上横边，所述反C字型直边下垂直设置有反C字型下横边。

3.根据权利要求1所述的高刚度碳纤维支撑框架，其特征在于：所述C字型工字梁筋包括C字型上横边、C字型下横边和C字型直边，所述C字型直边上垂直设置有C字型上横边，所述C字型直边下垂直设置有C字型下横边。

4.根据权利要求1所述的高刚度碳纤维支撑框架，其特征在于：所述上下一字型工字梁筋包括一字型工字梁上直边和一字型工字梁下直边。

5.根据权利要求4所述的高刚度碳纤维支撑框架，其特征在于：一字型工字梁上直边和一字型工字梁下直边为整体连续的蒙皮结构。

6.根据权利要求1所述的高刚度碳纤维支撑框架，其特征在于：在反C字型工字梁筋分瓣模具(6-a)上横边、C字型工字梁筋分瓣模具(6-b)上横边和补平的圆角上铺放复合材料工字梁上蒙皮(1-a)，在反C字型工字梁筋分瓣模具(6-a)下横边、C字型工字梁筋分瓣模具(6-b)下横边和补平的圆角上铺放复合材料工字梁下蒙皮(1-b)。

7.根据权利要求6所述的高刚度碳纤维支撑框架，其特征在于：所述复合材料工字梁上蒙皮(1-a)和复合材料工字梁下蒙皮(1-b)纤维连续。

8.一种制备如权利要求1所述的高刚度碳纤维支撑框架的模具，其特征在于：包括多个模具分瓣(3)、外模(4)、外加压框(5)、底板模具(6)和上加压板(7)，多个模具分瓣(3)组合后外周设置有外模(4)，所述外模(4)外周设置有外加压框(5)，所述模具分瓣(3)和外模(4)上设置有上加压板(7)，所述多个模具分瓣(3)固定在底板模具(6)上。

9.根据权利要求8所述的制备高刚度碳纤维支撑框架的模具，其特征在于：所述模具分瓣(3)包括反C字型工字梁筋分瓣模具(6-a)和C字型工字梁筋分瓣模具(6-b)，反C字型工字梁筋分瓣模具(6-a)和C字型工字梁筋分瓣模具(6-b)拼在一起。

10.根据权利要求9所述的制备高刚度碳纤维支撑框架的模具，其特征在于：反C字型工字梁筋分瓣模具(6-a)上横边和C字型工字梁筋分瓣模具(6-b)上横边保持同一水平；反C字型工字梁筋分瓣模具(6-a)下横边和C字型工字梁筋分瓣模具(6-b)下横边保持同一水平。

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