基於間斷鋪層的複合材料薄壁殼體的製備方法
2023-10-06 06:01:09
基於間斷鋪層的複合材料薄壁殼體的製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於間斷鋪層的複合材料薄壁殼體的製備方法，屬於複合材料結構設計和複合材料加工工藝【技術領域】。本發明的複合材料薄壁殼體變形小，在室溫條件下最大變形不超過0.5mm，這對確保空間遙感系統的面遮攔比、調製傳遞函數(MTF)以及雜光係數至關重要。本發明的複合材料薄壁殼體結構形式簡單，省卻了筋或肋等繁瑣結構，也減輕了結構重量。本發明的複合材料薄壁殼體工藝成熟度高，工裝模具簡單，對固化設備適用性較好，生產周期短。
【專利說明】基於間斷鋪層的複合材料薄壁殼體的製備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基於間斷鋪層的複合材料薄壁殼體的製備方法，屬於複合材料結 構設計和複合材料加工工藝【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 先進複合材料具有質量輕、比強度和比模量高、耐疲勞、阻尼減震性能好、性能可 設計等優點，正逐步替代原有的金屬材料成為空間遙感器結構的關鍵材料。從工藝成熟度 和實際應用範圍來講，以高性能纖維為增強體的樹脂基複合材料已成為空間遙感器結構的 首選材料，而碳纖維複合材料（CFRP)、芳綸纖維複合材料（AFRP)又佔據了其中的主導地 位。
[0003] -些空間遙感器零部件，例如主鏡或者次鏡上的內罩等，常常採用薄壁殼體結構， 壁厚一般不大於1mm，甚至更薄只有〇. 3mm。和常規複合材料結構一樣，這類零部件固化成 型後也存在變形問題，而變形大小往往與鋪層剛度、板長寬比、板厚、邊界條件等相關。即便 常見的對稱鋪層的平板固化成型後，也會出現一定的變形，這可能是由於纖維與基體的差 異、溫度梯度、鋪疊誤差以及固化過程的滑移、複合材料與模具材料的差異等原因造成的。 複合材料的變形問題一般比較複雜，在實際工程應用中，往往採用增加筋或肋以提高剛度 減小變形的方法。但對於空間遙感器結構而言，筋或肋不僅增加了重量，也會影響系統的面 遮攔比、調製傳遞函數（MTF)、雜光係數等。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是針對空間遙感器用纖維增強樹脂基複合材料薄壁殼體易變形問 題，提出一種間斷鋪層方法，該方法製備的纖維增強樹脂基複合材料薄壁殼體不易變形，能 夠保證空間遙感器的面遮攔比、調製傳遞函數（MTF)及雜光係數，同時能夠簡化結構設計 和成型工藝。
[0005] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的。
[0006] 本發明的一種基於間斷鋪層的複合材料薄壁殼體的製備方法，該薄壁殼體為一個 通道狀結構，該通道狀結構沿軸向任意一個橫截面均為四邊形，四邊形的四個角均採用圓 弧過渡；
[0007] 薄壁殼體採用纖維增強樹脂基複合材料層壓結構，共計η層，η > 2, η為自然數； 薄壁殼體的增強材料為芳綸纖維、碳纖維或玻璃纖維；
[0008] 該方法為間斷鋪層法，步驟為：
[0009] 第一步，模具設計與製造
[0010] 設計與製造薄壁殼體的成型模具，模具採用金屬材料，模具表面形狀與殼體一致； 使用前，在模具的表面塗刷一層脫模劑，脫模劑耐受溫度一般不低於140°c，並晾乾。
[0011] 第二步，預浸料製備
[0012] 製備所需的預浸料，預浸料可以採用織物或者單向帶的形式；依據樹脂基體的具 體類型進行預浸料B階化處理，S卩加熱使樹脂軟化但又不完全熔融，具有一定的粘性，便於 後面工序的鋪疊。
[0013] 第三步，預浸料裁剪
[0014] 根據薄壁殼體展開後的外形裁剪預浸料。
[0015] 第四步，鋪疊
[0016] 按照由內而外的順序，最內一層記為第一層，依次為第二層、第三層、…第1^層、··· 第η層；第一層至第k層為完整鋪層，第（k+Ι)層在四邊形的圓弧過渡部位斷開5?10mm， 第（k+2)沿上一層斷開部位每側斷開長度再增大5?10mm，依此規則直至第η層；k<n/2。
[0017] 按照由外而內的順序，最外一層記為第一層，依次為第二層、第三層、…第k 層、…第η層；第一層至第k層為完整鋪層，第（k+Ι)層在四邊形的圓弧過渡部位斷開5? 10_，第（k+2)層沿上一層斷開部位每側斷開長度再增大5?10_，依此規則直至第η層； k ^ η/2〇
[0018] 每鋪疊一層預浸料後，鋪覆一層聚四氟乙烯薄膜，然後用橡膠輥和電熨鬥逐步碾 壓，使層與層之間緻密但無褶皺。
[0019] 第五步，固化
[0020] 修切鋪疊過程的溢料，擦淨模具表面的膠液。
[0021] 依次鋪覆聚四氟乙烯隔離膜、吸膠層、聚四氟乙烯隔離膜、工藝均壓板和透氣氈， 粘貼密封膠帶並封裝真空尼龍薄膜。採用真空袋-熱壓罐法或者真空袋-烘箱法完成固化。 固化工藝依據樹脂基體的具體類型、模具的材料、製品的大小及厚薄而定，關機後應冷卻至 60°C以下方可出爐。
[0022] 第六步，脫模及修整
[0023] 拆除真空尼龍薄膜、透氣氈、工藝均壓板、聚四氟乙烯隔離膜、吸膠層以及聚四氟 乙烯隔離膜，將製品從成型模具中脫出。
[0024] 修切溢料和毛刺。
[0025] 第七步，檢測變形量
[0026] 採用遊標卡尺、刀口直尺以及光面塞規檢測製品的變形量。
[0027] 有益效果
[0028] (1)本發明的複合材料薄壁殼體變形小，在室溫條件下最大變形不超過0. 5_，這 對確保空間遙感系統的面遮攔比、調製傳遞函數（MTF)以及雜光係數至關重要。
[0029] (2)本發明的複合材料薄壁殼體結構形式簡單，省卻了筋或肋等繁瑣結構，也減輕 了結構重量。
[0030] (3)本發明的複合材料薄壁殼體工藝成熟度高，工裝模具簡單，對固化設備適用性 較好，生產周期短。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031] 圖1為現有技術中空間遙感器內罩的結構示意圖；
[0032] 圖2為圖1中罩體的結構示意圖；
[0033] 圖3為圖1中罩體的變形示意圖；
[0034] 圖4為本發明薄壁殼體的結構示意圖；
[0035] 圖5為由內到外的鋪層示意圖；
[0036] 圖6為由外到內的鋪層示意圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0038] 對比例
[0039] 全色多光譜敏捷相機主鏡內罩（以下簡稱內罩）為薄壁結構，由擋光板1、罩體2 和加強筋3組成，如圖1所示；
[0040] 其中罩體2包括一規則通道狀結構和一非規則通道狀結構兩部分，沿軸向任意一 個橫截面均為四邊形，四邊形的四個角均採用圓弧過渡；罩體2的理論壁厚0. 3_ ;規則通 道狀結構的表面有03組孔和寬度為0. 5mm槽，規則通道狀結構的端部與擋光板1採用膠黏 劑粘接成一體；非規則通道狀結構的端部與加強筋3採用膠黏劑粘接成一體，如圖2所示；
[0041] 現有技術中固化成型後的罩體2存在較大變形，四邊形的圓弧過渡部位有曲率變 小的趨勢，導致連接兩個圓弧間的平面部分發生變形，最大變形Λ S接近5mm，如圖3所 示；
[0042] 罩體2的端部與加強筋3採用膠黏劑粘接成一體後，端部變形有所改善，但罩體2 中部變形仍然較大，無法滿足相機分系統的使用要求。
[0043] 實施例1
[0044] 罩體2採用間斷鋪層方法，大大簡化了內罩的結構形式，有效控制了其最大變形， 同時省卻罩體2遠端的加強筋3。無加強筋3的罩體2的結構示意圖如圖4所示。
[0045] 第一步，設計製造罩體2的成型模具，模具為陽模，模具採用金屬材料，模具外形 尺寸與罩體2的內腔一致；使用前，在模具工作表面塗刷一層氟碳化合物脫模劑，並晾乾； 氟碳化合物脫模劑可用耐受溫度不低於140°C的其他脫模劑代替；必要時，可將模具加熱 至 50 ?60°C。
[0046] 第二步，製備名義厚度0. Imm的Kevlar49/8D-1平紋織物預浸料，預浸料樹脂含量 控制在42 ± 5 %，揮發份含量要求不大於3 %。
[0047] 第三步，依據罩體2展開後的理論外形裁剪預浸料。
[0048] 第四步，罩體2採用三層KeVlar49-120型平紋織物預浸料鋪疊而成；按照由內而 外的順序，如圖5所示，採用間斷鋪層實施方法為：
[0049] 1)最內一層為完整鋪層，拼接部位採取搭接方式，搭接寬度為5mm ;
[0050] 2)中間一層在四邊形的圓弧過渡部位斷開IOmm ;
[0051] 3)最外一層在四邊形的圓弧過渡部位斷開30mm，斷口與中間一層斷口對稱分布；
[0052] 4)按照由內而外的順序在模具上鋪疊完畢後，表面鋪覆一層聚四氟乙烯薄膜，然 後用橡膠輥和電熨鬥逐步碾壓，使層與層之間緻密但無褶皺。
[0053] 第五步，依次鋪覆聚四氟乙烯隔離膜、吸膠層、聚四氟乙烯隔離膜、工藝均壓板、透 氣氈，粘貼密封膠帶並封裝真空尼龍薄膜。採用真空袋-熱壓罐法或者真空袋-烘箱法完 成固化。本實施例中的固化工藝為：抽真空壓力不大於_〇.〇94MPa，升溫至70±3°C保持0. 5 小時後加外壓至〇. 2MPa，繼續升溫至120±3°C加外壓至0. 4MPa，繼續升溫至140±3°C保持 3小時後關機，待溫度降至60°C以下後出罐。
[0054] 第六步，將製品從模具小端脫出，修切溢料和毛刺。
[0055] 第七步，採用遊標卡尺、刀口直尺以及光面塞規檢測製品的變形量，其變形Λ δ 的極值為〇· 5mm。
[0056] 實施例2
[0057] 罩體2採用間斷鋪層方法，大大簡化了內罩的結構形式，有效控制了其最大變形， 同時省卻罩體2遠端的加強筋3。無加強筋3的罩體2的結構示意圖如圖4所示。
[0058] 第一步，設計製造罩體2的成型模具，模具為陰模，模具採用金屬材料，模具內腔 形狀與尺寸與罩體2的外表面一致；使用前，在模具工作表面塗刷一層氟碳化合物脫模劑， 並晾乾；氟碳化合物脫模劑可用耐受溫度不低於140°C的其他脫模劑代替；必要時，可將模 具加熱至50?60°C。
[0059] 第二步，製備名義厚度0. Imm的Kevlar49/8D-1平紋織物預浸料，預浸料樹脂含量 控制在42 ± 5 %，揮發份含量要求不大於3 %。
[0060] 第三步，依據罩體2展開後的理論外形裁剪預浸料。
[0061] 第四步，罩體2採用三層KeVlar49-120型平紋織物預浸料鋪疊而成；按照由外而 內的順序，如圖6所示，採用間斷鋪層實施方法為：
[0062] 1)最外一層為完整鋪層，拼接部位採取搭接方式，搭接寬度為5mm ;
[0063] 2)中間一層在四邊形的圓弧過渡部位斷開IOmm ;
[0064] 3)最內一層在四邊形的圓弧過渡部位斷開30mm，斷口與中間一層斷口對稱分布；
[0065] 4)按照由外而內的順序在模具上鋪疊完畢後，在內表面鋪覆一層聚四氟乙烯薄 膜，然後用橡膠輥和電熨鬥逐步碾壓，使層與層之間緻密但無褶皺。
[0066] 第五步，依次鋪覆聚四氟乙烯隔離膜、吸膠層、聚四氟乙烯隔離膜、工藝均壓板、透 氣氈，粘貼密封膠帶並封裝真空尼龍薄膜。採用真空袋-熱壓罐法或者真空袋-烘箱法完 成固化。本實施例中的固化工藝為：抽真空壓力不大於_〇.〇94MPa，升溫至70±3°C保持0. 5 小時後加外壓至〇. 2MPa，繼續升溫至120±3°C加外壓至0. 4MPa，繼續升溫至140±3°C保持 3小時後關機，待溫度降至60°C以下後出罐。
[0067] 第六步，將製品從模具大端脫出，修切溢料和毛刺。
[0068] 第七步，採用遊標卡尺、刀口直尺以及光面塞規檢測製品的變形量，其變形Λ δ 的極值為〇· 5mm。
【權利要求】
1. 一種基於間斷鋪層的複合材料薄壁殼體的製備方法，其特徵在於步驟為： 第一步，製造薄壁殼體的成型模具； 第二步，製備預浸料； 第三步，根據薄壁殼體展開後的外形裁剪預浸料； 第四步，在第一步製備的成型模具上鋪疊第三步裁減後的預浸料； 按照由內而外的順序進行鋪疊，最內一層記為第一層，依次為第二層、第三層、…第k 層、…第n層；第一層至第k層為完整鋪層，第（k+1)層在四邊形的圓弧過渡部位斷開5? 10mm，第（k+2)沿上一層斷開部位每側斷開長度再增大5?10mm，依此規則直至第n層； k彡n/2 ;n為薄壁殼體的層壓層數，n彡2, n為自然數； 每鋪疊一層預浸料後，鋪覆一層聚四氟乙烯薄膜，然後用橡膠輥和電熨鬥逐步碾壓； 第五步，依次鋪覆聚四氟乙烯隔離膜、吸膠層、聚四氟乙烯隔離膜、工藝均壓板和透氣 氈，粘貼密封膠帶並封裝真空尼龍薄膜；採用真空袋-熱壓罐法或者真空袋-烘箱法完成固 化； 第六步，拆除真空尼龍薄膜、透氣氈、工藝均壓板、聚四氟乙烯隔離膜、吸膠層以及聚四 氟乙烯隔離膜，將製品從成型模具中脫出。
2. -種基於間斷鋪層的複合材料薄壁殼體的製備方法，其特徵在於步驟為： 第一步，製造薄壁殼體的成型模具； 第二步，製備預浸料； 第三步，根據薄壁殼體展開後的外形裁剪預浸料； 第四步，在第一步製備的成型模具上鋪疊第三步裁減後的預浸料； 按照由外而內的順序，最外一層記為第一層，依次為第二層、第三層、…第k層、…第 n層；第一層至第k層為完整鋪層，第（k+1)層在四邊形的圓弧過渡部位斷開5?10mm，第 (k+2)層沿上一層斷開部位每側斷開長度再增大5?10mm，依此規則直至第n層；k 2, n為自然數； 每鋪疊一層預浸料後，鋪覆一層聚四氟乙烯薄膜，然後用橡膠輥和電熨鬥逐步碾壓； 第五步，依次鋪覆聚四氟乙烯隔離膜、吸膠層、聚四氟乙烯隔離膜、工藝均壓板和透氣 氈，粘貼密封膠帶並封裝真空尼龍薄膜；採用真空袋-熱壓罐法或者真空袋-烘箱法完成固 化； 第六步，拆除真空尼龍薄膜、透氣氈、工藝均壓板、聚四氟乙烯隔離膜、吸膠層以及聚四 氟乙烯隔離膜，將製品從成型模具中脫出。
3. 根據權利要求1或2所述的一種基於間斷鋪層的複合材料薄壁殼體的製備方法，其 特徵在於：該薄壁殼體為一個通道狀結構，該通道狀結構沿軸向任意一個橫截面均為四邊 形，四邊形的四個角均採用圓弧過渡。
4. 根據權利要求1或2所述的一種基於間斷鋪層的複合材料薄壁殼體的製備方法，其 特徵在於：薄壁殼體採用纖維增強樹脂基複合材料層壓結構。
5. 根據權利要求1或2所述的一種基於間斷鋪層的複合材料薄壁殼體的製備方法，其 特徵在於：薄壁殼體的增強材料為芳綸纖維、碳纖維或玻璃纖維。
6. 根據權利要求1或2所述的一種基於間斷鋪層的複合材料薄壁殼體的製備方法，其 特徵在於：第一步，製備好成型模具後在模具的表面塗刷一層脫模劑，脫模劑耐受溫度不低 於140°C，並晾乾。
7.根據權利要求1或2所述的一種基於間斷鋪層的複合材料薄壁殼體的製備方法，其 特徵在於：預浸料採用織物或者單向帶的形式。
【文檔編號】B29C70/34GK104385626SQ201410522000
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年9月30日 優先權日:2014年9月30日
【發明者】章令暉, 陳萍 申請人:北京空間機電研究所