CN103273662B - 低热膨胀碳纤维增强树脂基复合材料模具的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低热膨胀碳纤维增强树脂基复合材料模具的制备方法，属于复合材料制备技术领域。该方法用VARI工艺成型型面，并通过控制型面碳纤维铺层方向、预固化温度、后固化方式及后处理方式，保证模具低热膨胀性能。本发明采用VARI工艺，当真空压力达到0.1MPa时，真空将碳纤布进行压实使树脂导入后产品内部密实，保证复合材料纤维体积含量，同时去除碳纤布层间气泡，保证复合材料内部孔隙含量尽可能少，保证复合材料强度。
Description
技术领域
本发明涉及低热膨胀碳纤维增强树脂基复合材料模具的制备方法，属于复合材料制备技术领域。
背景技术
复合材料因其优异的材料性能和工艺特性，在飞机机翼、机身、中央翼盒等主承力结构、运载火箭上面级、卫星承力筒、卫星电池阵、导弹壳体等航天结构件上的得到了广泛应用，但在我国的应用规模与水平、制造工艺和设备等方面仍远落后于发达国家，尤其是复合材料模具还没有在国内得到推广，在欧美发达国家复合材料模具在航空航天领域均得到了广泛应用。
目前国内在制造高性能、高精度要求的复合材料制件时，仍然首先选择铸铝或低碳钢工装，模具重量大、制造周期长、热容量高、可修补性差、热膨胀系数与复合材料差异大，给复合材料制品的生产带来诸多问题。而复合材料模具质量轻，易于搬运，制造周期短，热容量低，温度分布均匀，可修补性好，尤其是热膨胀系数与复合材料制品相匹配，可解决一直以来困扰复合材料制件的尺寸误差和固化变形问题。
由于受到灌注树脂体系耐温性、抗冲击性等限制，国内外的文献中制造复合材料模具多采用碳纤维预浸料热压罐成型工艺，鲜有采用真空辅助（VARI）工艺制造复合材料模具的报道，尤其是国内对VARI工艺研究起步晚，开展VARI成型复合材料模具的研究更少。
发明内容
本发明的目的是为了解决金属模具的质量大、生产周期长、热膨胀系数与复合材料不匹配的问题，提出低热膨胀碳纤维增强树脂基复合材料模具的制备方法，所制备的复合材料模具比强度高、比刚度高、低热膨胀、制造周期短、抗疲劳、耐腐蚀、质量轻和破损安全性能好。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的低热膨胀碳纤维增强树脂基复合材料模具的制备方法，该方法用VARI工艺成型型面，并通过控制型面碳纤维铺层方向、预固化温度、后固化方式及后处理方式，保证模具低热膨胀性能；低热膨胀碳纤维增强树脂基复合材料模具以下简称该模具；具体实施步骤为：
第一步，设计该模具结构：
根据产品的型面尺寸设计该模具结构，充分考虑产品技术条件要求，保证产品顺利脱模，使模具具有良好的通风、传热效果，在保证模具刚度的前提下尽可能降低模具重量；
第二步，设计该模具的型面铺层：
根据经典层合板理论设计铺层角度及顺序，使该模具的热膨胀系数满足产品对低膨胀模具的性能需求；
第三步，该模具的型面成型：
A3.1、制作母模：根据产品的外形及成型工艺制作母模；
A3.2、该模具的型面成型：在A3.1制作的母模表面按照第二步设计的铺层角度及顺序铺放碳纤维，在碳纤维表面铺设导流介质，包覆真空袋，利用真空灌注工艺用树脂浸润碳纤维，并预固化成型；
A3.3、该模具型面后固化处理，使材料热稳定性满足使用要求。
第四步，制作该模具的支撑框架：根据第一步模具结构设计支撑框架结构形式，采用金属材料或复合材料制作支撑框架；
第五步，将第三步制作的型面和第四步制作的支撑框架进行组装：在该模具的背面安装支撑框架，如选用金属框架安装方式为柔性连接，如采用与型面热膨胀系数相同的复合材料制作框架，可直接粘接固定；
第六步，该模具的型面后处理：
用三坐标激光跟踪检测仪检测该模具精度，确认该模具的型面变化值；当该模具的型面变化较小时，利用抛光打磨处理工艺，使该模具的型面符合设计要求；当该模具的型面尺寸超差较大时，利用五轴数控加工中心加工该模具的型面，并对加工后该模具的型面进行抛光处理，确保模具表面光洁度满足设计要求。
所述步骤A3.2中所使用的碳纤维编织布规格为±45°双轴向、0°/±45°三轴向或0°单轴向或是使用其中两种规格或是三种规格的都使用；
所述步骤A3.2该模具的型面成型采用VARI工艺，产品成型压力为0.08～0.1MPa，成型后复合材料纤维体积含量为50%～55%，产品性能稳定；
所述步骤A3.2该模具的型面预固化采用室温固化工艺，室温预固化可保证母模不发生热变形，确保模具型面尺寸精度。
本发明与现有技术相比有益效果为：
（1）VARI工艺，当真空压力达到0.1MPa时，真空将碳纤布进行压实使树脂导入后产品内部密实，保证复合材料纤维体积含量，同时去除碳纤布层间气泡，保证复合材料内部孔隙含量尽可能少，保证复合材料强度。
（2）通过改变纤维不同方向排布和克重，设计模具不同方向的线膨胀系数，使其与目标复合材料制品的热膨胀相匹配。
（3）碳纤维复合材料模具型面在母模表面成型，一般母模材料多为热膨胀系数较高的环氧代木树脂，如在型面成型过程中直接加温固化，则会发生因母模型面变形影响模具最终型面精度。本发明设计采用室温预固化工艺，避免发生因母模热变形影响复合材料模具最终型面尺寸的问题。
（4）将预固化模具型面放到大型容器内进行加热，使模具后处理过程中的温度场均匀、稳定，并且通过加热介质使模具表面受热均匀，避免局部受热产生内应力，导致模具局部变形。
附图说明
图1为母模的外形示意图；
图2为本发明的该模具的外形示意图。
具体实施方式
实施例1
所制作的实例为一种成型高精度尺寸要求碳纤维抛物面制品所需成型模具，抛物面投影面积直径为0.9m，型面为非规则曲面。要求模具长期使用温度高于150℃，模具材料在150℃时线膨胀系数不大于4×10-6/K。
第一步，设计该模具结构：
在制品***增加100mm工艺边，用于复合材料产品成型时制作真空袋，模具外形结构如图2所示。并设计模具成型母模，母模为凹模，以保证成型后模具型面；
第二步，设计该模具的型面铺层：根据模具热膨胀系数要求不大于4×10-6/K，通过有限元分析建模，设计型面铺层结构为[0°/60°/-60°]20，分析计算铺层后模具铺层结构复合材料热膨胀系数为3.5×10-6/K；
第三步，该模具的型面成型：
A3.1、制作母模：按照第一步设计母模外形，采用玻璃钢复合材料制作产品母模；母模的外形如图1所示；
A3.2、该模具的型面成型：在A3.1制作的母模表面按照第二步设计的铺层角度及顺序铺放碳纤维，在碳纤维表面铺设脱模布、有孔隔离膜、导流网，包覆真空袋，利用真空灌注工艺用环氧树脂浸润碳纤维，并预固化成型；
A3.3、将预固化完成后模具型面脱模，在150℃下加温后固化处理8h，使材料热稳定性满足使用要求。
第四步，制作该模具的支撑框架：采用与模具型面相同的铺层结构及材料体系，按照A3.2的方法制作模具支撑框架。
第五步，将第三步制作的型面和第四步制作的支撑框架进行组装：在该模具的背面即该模具的凹面安装支撑框架，安装方式为胶接；
第六步，该模具的型面后处理：
用三坐标激光跟踪仪检测该模具精度，确认该模具的型面精度；检测后该模具型面精度偏差小于±0.15mm，满足使用要求。
所述步骤A3.2中所使用的碳纤维编织布规格为0°单轴织物，碳纤维编织布面密度为200g/m2；
所述步骤A3.2该模具的型面成型采用VARI工艺，产品成型压力为0.08～0.1MPa，成型后复合材料纤维体积含量为50%～55%，产品性能稳定；
所述步骤A3.2该模具的型面预固化采用室温固化工艺，室温预固化可保证母模不发生热变形，确保模具型面尺寸精度；
所述步骤A3.2该环氧树脂选用双酚Ａ型环氧树脂。铺层按照铺层模具铺层方式制作300mm×300mm碳纤维增强树脂基复合材料板块。室温～150℃下，该板材横向平均线膨胀系数为3.48×10-6/K。
所述步骤A3.3该模具的型面后固化处理工艺为将模具型面放置在一个大型容器内，将型面四周全部用导热介质(导热沙或玻璃微珠)包覆固定，然后加温做后固化，提高复合材料固化度，达到模具使用耐温要求。
Claims (4)
1.低热膨胀碳纤维增强树脂基复合材料模具的制备方法，其特征在于该方法的步骤为：
第一步，设计该模具结构：
根据产品的型面尺寸设计该模具结构；
第二步，设计该模具的型面铺层：根据模具热膨胀系数要求，通过有限元分析建模，设计型面铺层结构；
第三步，该模具的型面成型：
A3.1、制作母模：根据产品的外形及成型工艺制作母模；
A3.2、该模具的型面成型：在A3.1制作的母模表面按照第二步设计的铺层角度及顺序铺放碳纤维编织布，在碳纤维编织布表面铺设导流介质，包覆真空袋，利用真空灌注工艺用树脂浸润碳纤维编织布，并预固化成型；
A3.3、该模具型面后固化处理；
第四步，制作该模具的支撑框架：根据第一步模具结构设计支撑框架结构形式；
第五步，将第三步制作的型面和第四步制作的支撑框架进行组装：在该模具的背面安装支撑框架；
第六步，该模具的型面后处理，完成该模具的制备；
步骤A3.2中所使用的碳纤维编织布规格为±45°双轴向、0°/±45°三轴向或0°单轴向或是使用其中两种规格或是三种规格的都使用；
步骤A3.2该模具的型面成型采用真空灌注工艺，产品成型压力为0.08～0.1MPa，成型后复合材料纤维体积含量为50％～55％；
步骤A3.2该模具的型面预固化采用室温固化工艺。
2.根据权利要求1所述的低热膨胀碳纤维增强树脂基复合材料模具的制备方法，其特征在于：支撑框架为金属材料，金属框架与第三步制作的型面的连接方式为柔性连接。
3.根据权利要求1所述的低热膨胀碳纤维增强树脂基复合材料模具的制备方法，其特征在于：支撑框架为与型面热膨胀系数相同的复合材料，与型面的连接方式为直接粘接。
4.根据权利要求1所述的低热膨胀碳纤维增强树脂基复合材料模具的制备方法，其特征在于：第六步中的后处理过程为：用三坐标激光跟踪检测仪检测该模具精度，确认该模具的型面变化值；当该模具的型面变化较小时，利用抛光打磨处理工艺，使该模具的型面符合设计要求；当该模具的型面尺寸超差较大时，利用五轴数控加工中心加工该模具的型面，并对加工后该模具的型面进行抛光处理，确保模具表面光洁度满足设计要求。
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