一種複合材料支架高質量成型方法與流程

2023-05-05 12:43:37

本發明涉及一種複合材料支架高質量成型方法，特別是一種較大尺寸大厚度多腔法蘭加筋結構複合材料支架高質量成型方法，屬於結構複合材料及工藝領域。

背景技術：

當前，航天領域對新型號提出的減重、高效的要求，使得輕質高強的複合材料的應用日趨廣泛，從大型結構艙段發展到艙內零部件。目前，國內已有一些結構艙段用配套零部件進行了複合材料化，如三角撐板、支座、操作口蓋等，其形狀規則、結構簡單、厚度較小、成型工藝簡單，主要起一定的連接、支撐作用。

複合材料支架為艙內較大尺寸大厚度異型多腔構件，除對儀器起一定的支撐作用外，同時需承受一定工況下產生的較大載荷，且裝配關係較多，設計對其承載能力、內部質量、尺寸精度要求較高。因此如何通過合理的模具設計、成型工藝，解決較大尺寸大厚度多腔法蘭加筋結構複合材料支架纖維連續性及對稱性鋪放、壓力的有效施加和均勻傳遞等問題，實現複合材料支架的高質量、高尺寸精度整體共固化成型，同時滿足結構承載能力的要求是亟需解決的技術難題。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種複合材料支架高質量成型方法，通過優化模具設計、複合材料鋪層設計及中溫預壓實、模芯更替、固化成型工藝控制技術等，實現複合材料支架的高質量整體共固化成型，滿足型號結構減重要求。

本發明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現的：

一種複合材料支架高質量成型方法，採用的成型模具包括n個上格腔陽模、m個下格腔陽模、n個軟模、側擋板、上蓋板和下底板，所述n個上格腔陽模、n個軟模的形狀與待製備支架的n個上格腔的形狀相匹配，所述m個下格腔陽模的形狀與待製備支架的m個下格腔的形狀相匹配，具體成型方法包括如下步驟：

步驟(1)、將預浸料分別鋪設在n個上格腔陽模的表面和m個下格腔陽模的表面；

步驟(2)、將完成鋪設的預浸料進行加溫預壓實；

步驟(3)、預壓實冷卻後拆除n個上格腔陽模，形成n個上格腔預浸料鋪層，將n個軟模分別放入所述n個上格腔預浸料鋪層中；

步驟(4)、將n個上格腔預浸料鋪層與m個鋪設預浸料的下格腔陽模進行組裝，使得上格腔預浸料鋪層與下格腔預浸料鋪層接觸並壓緊；

步驟(5)、將下底板分別與m個下格腔陽模和n個軟模進行固定連接，側擋板分別與上蓋板、下底板固定連接，形成封閉模腔；

步驟(6)、進行加熱固化，固化完成後拆除側擋板、上蓋板、軟模和下底板，得到複合材料支架；

所述n、m均為正整數，且n≥2，m≥1。

在上述成型方法中，所述步驟(1)中在n個上格腔陽模的上表面分別鋪設預浸料並下翻至其側表面，下格腔陽模為1個，在下格腔陽模的上表面鋪設預浸料並下翻至其側表面。

在上述成型方法中，所述步驟(1)鋪設過程中，每鋪設0.5-1mm厚度的鋪層進行一次抽真空壓實，提高鋪層緊實度，壓實後對多餘的料邊進行去除。

在上述成型方法中，所述步驟(2)中預壓實的具體方法為：將完成鋪設的預浸料採用隔離材料、吸膠材料和真空袋依次包裹後，在烘箱、加熱平臺或熱壓罐中進行預壓實，保溫溫度為70-90℃，保溫時間為30min-120min。

在上述成型方法中，所述預浸料為碳纖維環氧樹脂熱熔預浸料，預浸料厚度為0.125-0.20mm，樹脂質量百分比含量為30％-38％，揮發份含量≤1％，纖維面密度為130-220g/m2。

在上述成型方法中，所述軟模為矽橡膠軟模，矽橡膠軟模內含金屬芯，金屬芯與下底板連接。

在上述成型方法中，所述待製備的支架的上格腔體積v1與矽橡膠軟模的體積v2之差δv滿足：5％＜δv/v1＜12％。

在上述成型方法中，所述步驟(4)中n個上格腔預浸料鋪層與1個下格腔預浸料鋪層進行組裝時，內置n個軟模的n個上格腔預浸料鋪層依次放置在內置下格腔陽模的下格腔預浸料鋪層上部，且n個上格腔預浸料鋪層的上表面與下格腔預浸料鋪層的上表面接觸並壓緊，形成待製備支架的腹板，兩端的2個上格腔預浸料鋪層的外側表面與下格腔預浸料鋪層的外側表面分別對齊，形成待製備支架的緣板，相鄰2個上格腔預浸料鋪層之間的側表面鋪層形成待製備支架的筋板；所述內置n個軟模的n個上格腔預浸料鋪層並排放置在內置下格腔陽模的下格腔預浸料鋪層上部。

在上述成型方法中，設待製備支架的腹板厚度為h1，緣板厚度為h2，筋板厚度為h3，則預浸料的鋪層厚度為h1，h2，h3中最小值的一半，即鋪層厚度為1/2min{h1，h2，h3}。

在上述成型方法中，若腹板厚度h1、緣板厚度h2、筋板厚度h3中腹板厚度h1為最大值，即滿足h1≥max{h2，h3}，則需要增加鋪設腹板夾芯料，在組裝之前進行鋪設；若腹板厚度h1、緣板厚度h2、筋板厚度h3中腹板厚度h1為最小值，即滿足h1≤min{h2，h3}，則需要增加鋪設筋板夾芯料，在組裝之前進行鋪設。

在上述成型方法中，所述步驟(4)將n個上格腔預浸料鋪層與1個下格腔預浸料鋪層進行組裝後，若兩端的2個上格腔預浸料鋪層的外側表面與下格腔預浸料鋪層的外側表面分別對齊後的鋪層厚度，小於待製備支架的緣板(11)厚度，則增加外側表面的預浸料鋪層，以滿足待製備支架的緣板(11)的厚度要求。

在上述成型方法中，所述側擋板為兩個，均為u型結構，u型結構的端面對齊後形成環形腔體。

在上述成型方法中，所述步驟(6)中固化在烘箱或熱壓罐中進行，固化升溫速率為10～40℃/h，固化溫度為150℃～185℃，固化時間為3h～8h。

本發明與現有技術相比具有如下有益效果：

(1)、本發明採用特殊設計的成型模具進行複合材料支架的製備，通過採用金屬鋪層上下陽模、金屬-矽橡膠(含金屬芯)組合加壓模、外陰模(上蓋板、下底板、側擋板)，形成封閉模腔，並通過矽橡膠軟模、金屬芯協同加壓，解決外壓無法對格腔的筋板施加壓力及筋板尺寸精度問題，保證了支架腹板、緣板，尤其是筋板成型的質量及尺寸精度；

(2)、本發明採用金屬鋪層上下陽模，通過預浸料鋪層設計，解決了複合材料支架纖維最大限度連續性問題，滿足承載需求；

(3)、本發明通過中溫預壓實工藝控制、模芯更替、固化成型工藝控制，解決格腔組裝精度、整體共固化問題，實現複合材料支架的一次高質量成型；

(4)、本發明根據待製備支架的腹板、緣板和筋板的尺寸關係，設計在鋪層過程中增加腹板夾芯料或筋板夾芯料，滿足了複合材料支架的成型精度和質量。

(5)、本發明通過對軟模結構材料進行優化設計，軟模採用矽橡膠，且軟模內含金屬芯，金屬芯通過螺釘或銷釘與下底板連接，並給出了待製備支架的格腔體積v1與矽橡膠(含金屬芯)體積v2之差δv需要滿足的條件，進一步保證了筋板成型的質量及尺寸精度。

(6)、本發明支架與傳統金屬構件相比減重約30％-50％，滿足航天型號輕質化要求。

附圖說明

圖1為本發明複合材料支架高質量成型方法流程圖；

圖2為本發明支架成型模具示意圖；

圖3為本發明成型模具中側擋板示意圖。

圖4為本發明複合材料支架鋪層示意圖；

圖5為本發明支架成型模具組裝示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述：

如圖1所示為本發明複合材料支架高質量成型方法流程圖，本發明的複合材料支架的成型方法具體包括如下步驟：

1、成型模具設計製造

複合材料支架依靠金屬-矽橡膠組合模具，採用整體成型技術，達到大厚度異型多腔體(格腔並排、非並排並存)複合材料支架一次成型，解決較大尺寸大厚度多腔法蘭加筋結構複合材料支架纖維連續性及對稱性鋪放、壓力的有效施加和均勻傳遞等問題，滿足結構承載能力、高質量、高精度的設計要求。

模具設計為封閉、組合式硬模，在複合材料支架並排格腔或非並排格腔內放置矽橡膠軟模，矽橡膠軟模內含金屬芯，通過矽橡膠軟模、金屬芯協同加壓，使複合材料固化過程中各邊均勻有效受力，保證了產品高質量成型及尺寸均勻性。待製備複合材料支架包括腹板、緣板、筋板以及形成的上下格腔。

成型模具包括金屬硬模和矽橡膠軟模(含金屬芯)：

(1)金屬硬模

根據產品結構形式，設計金屬硬模，包括上格腔陽模1(n個分瓣，本實施例中為3個分瓣)、下格腔陽模2(整體或m個分瓣，本實施例中為整體)、側擋板4(p塊側擋板，側擋板數量依據產品外型面需求進行設計和分瓣，本實施例中為2個)、上蓋板5、下底板6，如圖2所示為本發明支架成型模具示意圖，其中下格腔陽模2與下底板6可以為一體化設計，上蓋板5、下底板6、側擋板4通過螺栓機械連接，上蓋板5、下底板6連接後形成的腔體高度滿足待製備複合材料支架高度尺寸要求。

上格腔陽模1與下格腔陽模2以腹板厚度中心線位置進行對稱式分瓣，然後上陽模再以格腔進行再分瓣，分瓣原則為以筋板厚度中心線位置進行對稱式分瓣。保證筋板與腹板的纖維連續性鋪放。上格腔陽模1僅用於鋪層，下格腔陽模2用於鋪層和固化。

如圖3為本發明成型模具中側擋板示意圖，本發明實施例中側擋板4為兩個，為u型結構，u型結構的端面對齊後形成環形腔體，上蓋板5與下底板6分別位於環形腔體的上端面與下端面，側擋板4的內型面根據待製備支架的外形設計，可以為弧形擋板4-1、波浪形擋板4-2等，如圖3所示。

(2)矽橡膠軟模(含金屬芯)

矽橡膠軟模3尺寸設計依據格腔尺寸、形狀、複合材料支架成型壓力和矽橡膠膨脹特性進行。根據大量試驗和研究，待成型支架格腔體積v1與矽橡膠軟模3(含金屬芯)的體積v2之差δv滿足：5％＜δv/v1＜12％，提供成型壓力p，0.4mpa＜p＜1.5mpa。矽橡膠軟模3內含金屬芯3-1，金屬芯3-1通過螺釘或銷釘3-2與下底板6連接。

n個上格腔分瓣陽模1、n個矽橡膠軟模3的形狀與待製備的支架的n個上格腔的形狀相匹配，下格腔陽模2的形狀與待製備的支架的下格腔的形狀相匹配。

2、預浸料製備

製備碳纖維/環氧樹脂熱熔預浸料，熱熔預浸料的質量指標為預浸料厚度0.125-0.20mm，樹脂質量百分比含量30％-38％，揮發份含量≤1％，纖維面密度130-220g/m2。

3、預浸料下料

按照待製備支架尺寸，採用自動下料機對預浸料進行裁剪下料。

4、陽模鋪層

如圖4所示為本發明複合材料支架鋪層示意圖；在n個上格腔分瓣陽模1的上表面分別鋪設預浸料並下翻至鋪設在其側表面，在下格腔陽模2的上表面鋪設預浸料並下翻至鋪設在其側表面。即鋪層時形成腹板的預浸料下翻至緣板，保證腹板預浸料與緣板預浸料纖維連續。如圖4所示，包括上格腔陽模鋪層20，下陽模鋪層21，緣板鋪層22，腹板夾芯料鋪層23，筋板夾芯料鋪層24。

每鋪設0.5-1mm厚度的鋪層進行一次抽真空壓實，提高鋪層緊實度，壓實後對多餘的料邊進行去除。

如圖5所示為本發明支架成型模具組裝示意圖；預浸料鋪層與1個下格腔預浸料鋪層進行組裝時，內置n個軟模3的n個上格腔預浸料依次並排放置在內置下格腔陽模2的下格腔預浸料鋪層上部，且n個上格腔預浸料鋪層的上表面與下格腔預浸料鋪層的上表面接觸並壓緊，形成待製備支架的腹板10，兩端的2個上格腔預浸料鋪層的外側表面與下格腔預浸料鋪層的外側表面分別對齊，形成待製備支架的緣板11，相鄰2個上格腔預浸料鋪層之間的側表面鋪層形成待製備支架的筋板12。如圖5所示。

設待製備支架的腹板10的厚度為h1，緣板11的厚度為h2，筋板12的厚度為h3，則預浸料的鋪層厚度為h1，h2，h3中最小值的一半，即鋪層厚度為1/2min{h1，h2，h3}。

若腹板厚度h1、緣板厚度h2、筋板厚度h3中腹板厚度h1為最大值，即滿足h1≥max{h2，h3}，則需要增加鋪設腹板夾芯料13，在組裝之前進行鋪設；若腹板厚度h1、緣板厚度h2、筋板厚度h3中腹板厚度h1為最小值，即滿足h1≤min{h2，h3}，則需要增加鋪設筋板夾芯料14，在組裝之前進行鋪設。

複合材料支架鋪層時，依據腹板、緣板、筋板厚度特點，儘量保證纖維的連續性及對稱性鋪放，提高產品承載能力，如圖4所示。若複合材料支架腹板厚度h1(4mm≤h1≤20mm)，緣板厚度h2，筋板厚度h3，將腹板與筋板厚度差δh1單獨鋪覆成夾芯料，1/2min{h1，h2，h3}腹板上面與上緣板及筋板進行預浸料連續鋪放，1/2min{h1，h2，h3}腹板下面與下緣板進行預浸料連續鋪放。若h1≥max{h2，h3}，則夾芯料為腹板夾芯料，可實現筋板與腹板纖維100％連續，腹板與緣板纖維h2/h1*100％連續；若h1為最小厚度，h1≤min{h2，h3}，則夾芯料為筋板夾芯料，可實現筋板與腹板纖維h1/h3*100％連續，腹板與緣板纖維100％連續。

5、中溫預壓實

產品的大厚度鋪覆易造成預浸料壓實程度不足，固化前產品型面較差、壓縮量較大(15-25％)、固化時多餘料擠出產生架空等，致使固化時壓力無法均勻有效傳遞，造成產品出現大面積缺陷(缺陷百分比大於3.5％)、厚度偏差大於10％，無法滿足設計技術指標要求。另外，成型過程中涉及格腔陽模與矽橡膠軟模的替換及格腔的組裝，由於鋪層料預聚程度低，料偏軟，脫模困難，且料壓實程度差，易造成組裝位置偏差、組裝質量差等問題，嚴重影響產品的成型質量。因此在成型過程中必須對產品進行預壓實。

將產品採用隔離材料、吸膠材料、真空袋包裹後，在烘箱、加熱平臺或熱壓罐中進行預壓實，保溫溫度70-90℃，保溫時間30min-120min。

6、模芯更替

預壓實待冷卻後，預壓實冷卻後拆除n個上格腔分瓣陽模1，形成n個預浸料上格腔，將n個矽橡膠軟膜3分別放入n個預浸料上格腔中，矽橡膠軟模3與預浸料上格腔之間形成間隙3-3，如圖5所示。必要時，可先將上格腔鋪層分瓣陽模鋪層料產品冷凍1-2h後，將上格腔分瓣陽模1脫出。將矽橡膠軟模3(含金屬芯)放入格腔中。

7、腔體組裝

依據圖紙將上格腔鋪層料與下格腔鋪層料進行組裝，側面對齊，壓緊。具體組裝參見步驟4，若h1、h2、h3不完全相等，則按照步驟4中具體描述，將腹板夾芯料或筋板夾芯料進行鋪放後，再進行組裝。

8、緣板剩餘料鋪層

組裝後，若兩端的2個上格腔預浸料鋪層的最外側表面與下格腔預浸料鋪層的外側表面分別對齊後的鋪層厚度，小於待製備支架的緣板11的厚度，則增加外側表面的預浸料鋪層，以滿足待製備支架的緣板11的厚度要求。

9、模具組裝

採用螺釘將兩塊側擋板4、上蓋板5與下底板6連接，即將下底板6與下格腔陽模2進行固定連接，下底板6與n個軟膜3固定連接，側擋板4分別與上蓋板5、下底板6固定連接；由於固化前產品壓縮量較大，採用弓形夾對外陰模((上蓋板、下底板、側擋板))進行2-4次組裝壓實，去除多餘的料邊，使固化前外陰模(上蓋板、下底板、側擋板)充分壓緊，組裝到位，形成封閉模腔18。

10、加熱或加熱加壓固化

組裝後送入烘箱或熱壓罐中固化。本實施例中固化工藝為升溫速率10～40℃/h,固化溫度150℃～185℃，固化時間3h～8h。

11、脫模

依次拆除兩塊側擋板4、上蓋板5、矽橡膠軟模3，將產品從下底板6上脫出，清理乾淨四周的毛邊，得到複合材料支架。

本發明製備得到的複合材料支架與傳統金屬構件相比減重約30％-50％，滿足航天型號輕質化要求。

實施例1

產品名稱：四腔法蘭加筋複合材料支架

產品尺寸：弧長1000mm，腹板厚度h1為10mm，筋板厚度h3為8mm，緣板厚度h2為8mm。鋪層設計為筋板與腹板纖維100％連續，腹板與緣板纖維80％連續。鋪層預浸料的厚度為1/2min{h1，h2，h3}，即鋪層厚度為4mm。且滿足h1≥max{h2，h3}，需要增加鋪設腹板夾芯料，在組裝之前進行鋪設。

實施步驟如下：

模具設計為封閉式金屬-矽橡膠組合模具，上格腔陽模依據筋板厚度中心線分為3瓣，如圖2所示。待成型產品格腔體積v1與矽橡膠(含金屬芯)體積v2之差δv＝7％v1。

選用預浸料厚度0.15mm，樹脂含量35±3％，揮發份含量≤1％，纖維面密度165±5g/m2。

按照產品尺寸，採用自動下料機對預浸料進行裁剪下料。

在上格腔鋪層分瓣陽模及下格腔陽模上進行預浸料4mm鋪層，鋪層時形成腹板的預浸料下翻至緣板，保證腹板預浸料與緣板預浸料纖維連續。同時鋪2mm腹板夾芯料。每0.6mm鋪層進行一次抽真空壓實，壓實後對多餘的料邊進行去除。

將產品採用隔離材料、吸膠材料、真空袋包裹後，在烘箱中進行預壓實，保溫溫度80-85℃，保溫時間45min。

預壓實後，將上格腔鋪層分瓣陽模鋪層料在冰庫內冷卻1h，將上格腔陽模塊脫出。將矽橡膠軟模(含金屬芯)放入格腔中。

將腹板夾芯料鋪放於下格腔鋪層料上，然後依據圖紙將上格腔鋪層料與下格腔鋪層料進行組裝，側面對齊，壓緊。

完成緣板剩餘4mm料鋪層。

採用螺釘將兩塊側擋板、上蓋板與下底板鋪層模連接。採用弓形夾對外陰模進行2次組裝壓實，去除多餘的料邊，使固化前外陰模充分壓緊，組裝到位，形成封閉模腔。

組裝後送入烘箱或熱壓罐中固化。固化工藝為升溫速率20～30℃/h,固化溫度165℃～175℃，固化時間6h。

固化後，依次拆除兩塊側擋板、上蓋板、矽橡膠軟模，將製品從下底板上脫出，清理乾淨四周的毛邊，得到製品。

實施例2

產品名稱：六腔法蘭加筋複合材料支架

產品尺寸：弧長1500mm，腹板厚度h1為12mm，筋板厚度h3為14mm，緣板厚度h2為12mm。鋪層設計為筋板與腹板纖維85.7％連續，腹板與緣板纖維100％連續。鋪層預浸料的厚度為1/2min{h1，h2，h3}，即鋪層厚度為6mm。滿足h1≤min{h2，h3}，則需要增加鋪設筋板夾芯料，在組裝之前進行鋪設。

實施步驟如下：

模具設計為封閉式金屬-矽橡膠組合模具，上格腔陽模依據筋板中心線分為5瓣。成型產品格腔體積v1與矽橡膠(含金屬芯)體積v2之差δv＝6％v1。

選用預浸料厚度0.15mm，樹脂含量35±3％，揮發份含量≤1％，纖維面密度165±5g/m2。

按照產品尺寸，採用自動下料機對預浸料進行裁剪下料。

在上格腔鋪層分瓣陽模及下格腔陽模上進行預浸料6mm鋪層，鋪層時形成腹板的預浸料下翻至緣板，保證腹板預浸料與緣板預浸料纖維連續。同時鋪2mm筋板夾芯料。每1mm鋪層進行一次抽真空壓實，壓實後對多餘的料邊進行去除。

將產品採用隔離材料、吸膠材料、真空袋包裹後，在烘箱中進行預壓實，保溫溫度85-90℃，保溫時間30min。

預壓實後，將上格腔鋪層分瓣陽模鋪層料在冰庫內冷卻2h，將上格腔陽模塊脫出。將矽橡膠軟模(含金屬芯)放入格腔中。

依據圖紙將上格腔鋪層料與下格腔鋪層料進行組裝，筋板間夾入2mm筋板夾芯料，側面對齊，壓緊。

完成緣板剩餘6mm料鋪層。

採用螺釘將兩塊側擋板、上蓋板與下底板鋪層模連接。採用弓形夾對外陰模進行4次組裝壓實，去除多餘的料邊，使固化前外陰模充分壓緊，組裝到位，形成封閉模腔。

組裝後送入烘箱或熱壓罐中固化。固化工藝為升溫速率10～15℃/h,固化溫度170℃～180℃，固化時間6h。

固化後，依次拆除兩塊側擋板、上蓋板、矽橡膠軟模，將製品從下底板上脫出，清理乾淨四周的毛邊，得到製品。

以上所述，僅為本發明最佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員的公知技術。