CN105346099A - 一种碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法，该方法包括以下步骤：一、将泡沫芯模装入气袋中，然后利用真空泵对气袋进行抽真空处理，直至使气袋紧密包覆于泡沫芯模外；二、将预浸料均匀包覆于气袋外；三、将预浸料装入钢外模内，然后放入烘箱中加热，并在加热过程中利用空气压缩机向气袋内通入压缩空气，使预浸料固化，固化完毕后放气脱模，得到碳纤维复合材料薄壁曲线管件。本发明利用泡沫芯模控制制品的内形面，利用钢外模控制制品的外形面，具有制品形貌可控性强、表面状态光洁、力学性能较好、简单经济等优点，适用于连续长度、大尺寸、曲线形管制品的成型。

Description

一种碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法
技术领域
本发明属于碳纤维复合材料制品成型技术领域，具体涉及一种碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法。
背景技术
碳纤维复合材料(CFRP)具有优异的机械性能和物理性能，是应用于航空、航天、兵器、电子等领域的重要结构材料，碳纤维复合材料管结构是组成复合材料构架的一种典型单元，具有重量轻、强度高、耐腐蚀等许多优异的性能，是航空、航天器结构中常用的结构组件。
传统的碳纤维复合材料管件成型常用的方法有卷管法、纤维缠绕法、拉挤法等成型工艺。对于薄壁的碳纤维复合材料曲线管，由于其结构的复杂性，若采用传统的卷管法，其脱模比较困难且容易出现分层现象；而采用纤维缠绕法成型的工艺难度很大，不容易制备连续长度的大尺寸管件，且产品轴向拉伸强度较低、外表面粗糙、易渗漏；而拉挤法虽然理论上能够连续不断地制备长度不限的复合材料型材制品，但是在大尺寸的薄壁管件环向力学性能的提高和牵引力的控制方面还存在较大的难度，对实现变截面生产也具有相当的难度。
因此，对薄壁碳纤维复合材料曲线管的制备技术进行针对性研究，是面向碳纤维复合材料管在轻量化航空器领域应用的关键所在，也是复合材料成型技术创新发展的迫切需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法。该方法利用泡沫芯模控制制品的内形面，利用钢外模控制制品的外形面，能够根据实际需要对模具进行设计调整从而制备出多种形貌、多种尺寸的复合材料制品，具有制品形貌可控性强、表面状态光洁、力学性能较好、简单经济等优点，适用于连续长度、大尺寸、曲线形管制品的成型。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法，其特征在于，该方法采用的模具包括泡沫芯模和钢外模，所述泡沫芯模的形状为曲线柱状，所述钢外模的形状为曲线管状，所述泡沫芯模的外壁形状与所要制备的碳纤维复合材料薄壁曲线管件的内壁形状相匹配，所述钢外模的内壁形状与所述碳纤维复合材料薄壁曲线管件的外壁形状相匹配，所述泡沫芯模的横截面形状为圆形，所述钢外模的横截面形状为圆环形，所述泡沫芯模的直径尺寸不大于所述碳纤维复合材料薄壁曲线管件的内径尺寸，所述钢外模的内径尺寸与所述碳纤维复合材料薄壁曲线管件的外径尺寸相等，该方法包括以下步骤：
步骤一、将泡沫芯模装入气袋中，然后利用真空泵对所述气袋进行抽真空处理，直至使气袋紧密包覆于泡沫芯模外；
步骤二、将预浸料均匀包覆于步骤一中装有泡沫芯模的气袋外；所述预浸料为碳纤维/环氧树脂预浸料；
步骤三、将步骤二中包覆有泡沫芯模和气袋的预浸料装入钢外模中，然后放入烘箱中加热，并在加热过程中利用空气压缩机向气袋内通入压缩空气，使预浸料在温度为150℃，压力为0.8MPa～1.0MPa的条件下固化30min，固化完毕后放气卸压，脱除钢外模以及装有泡沫芯模的气袋，得到碳纤维复合材料薄壁曲线管件，所述碳纤维复合材料薄壁曲线管件的壁厚为0.5mm～2.0mm。
上述的一种碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法，其特征在于，所述泡沫芯模的直径尺寸为所述碳纤维复合材料薄壁曲线管件内径尺寸的84％～95％。
上述的一种碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法，其特征在于，所述泡沫芯模的材质为聚氨酯泡沫。
上述的一种碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法，其特征在于，步骤二中所述碳纤维/环氧树脂预浸料中碳纤维的面密度为125g/m2～200g/m2，所述碳纤维/环氧树脂预浸料的含胶量为30％～45％。
上述的一种碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法，其特征在于，步骤三中所述碳纤维复合材料薄壁曲线管件的外径为10mm～50mm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用气袋内加压-模压工艺制备碳纤维复合材料曲线管件，首先将预浸料按照预先设计好的铺层方式包覆在泡沫芯模和钢外模之间，充分利用气袋具有一定的耐热性、优越的柔软性、其延展率可达到三倍以上的优点，在气袋充气膨胀的过程中，由于受到预浸料和钢外模的限制，从而产生均匀的径向压力，即对钢外模模壁产生压力，实现对预浸料固化过程中的均匀施压。固化完毕后放气卸压，泡沫在高温作用下热解收缩，可直接从气袋中取出，从而得到中空薄壁的碳纤维复合材料曲线管。
2、本发明中，泡沫芯模能够控制制品的内形面，制品的外形面主要靠外钢模进行控制，因此本发明能够根据实际需要对模具进行设计调整从而制备出多种形貌、多种尺寸的复合材料制品，具有制品形貌可控性强、表面状态光洁、力学性能较好等优点。
3、本发明采用气袋内加压-模压工艺制备碳纤维复合材料曲线管件，气袋充气即能够产生均匀的压力，且在一个普通的加热设备中即可固化成型，也可直接在钢外模外缠绕加热电阻丝进行加热，不仅简单经济，而且适用于连续长度、大尺寸、曲线形管制品的成型。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明利用气袋、泡沫芯模和钢外模对预浸料进行热压固化的状态示意图。
附图标记说明:
1—预浸料；2—泡沫芯模；3—钢外模；
4—气袋；5—压缩空气。
具体实施方式
本发明制备碳纤维复合材料薄壁曲线管件所采用的模具包括泡沫芯模2和钢外模3，所述泡沫芯模2的形状为曲线柱状，所述钢外模3的形状为曲线管状，所述泡沫芯模2的外壁形状与所要制备的碳纤维复合材料薄壁曲线管件的内壁形状相匹配，所述钢外模3的内壁形状与所述碳纤维复合材料薄壁曲线管件的外壁形状相匹配，所述泡沫芯模2的横截面形状为圆形，所述钢外模3的横截面形状为圆环形，所述泡沫芯模2的直径尺寸不大于所述碳纤维复合材料薄壁曲线管件的内径尺寸，所述钢外模3的内径尺寸与所述碳纤维复合材料薄壁曲线管件的外径尺寸相等。所述泡沫芯模2的材质优选为聚氨酯。
实施例1
本实施例所要制备的碳纤维复合材料薄壁曲线管件的形状为弧形，其外径为22mm，壁厚为1.0mm，弦长为3.0m。本实施例所选用的泡沫芯模2的直径为17mm，所选用的钢外模3的内径为22mm。结合图1，本实施例碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将泡沫芯模2装入气袋4内，然后将气袋4连接真空泵，之后开启真空泵对所述气袋4进行抽真空处理，直至使气袋4紧密包覆于泡沫芯模2外；
步骤二、将预浸料1均匀包覆于步骤一中紧密包覆有泡沫芯模2的气袋4外；所述预浸料1为单向碳纤维/环氧树脂预浸料，所述预浸料1中单向碳纤维的面密度为150g/m2，预浸料1的含胶量为33％(质量百分含量)；本实施例中包覆的具体过程为：按照90°1CN/20°1CN/-20°1CN/90°1CN/20°1CN/-20°1CN/90°1CN的铺层方式包覆，包覆总层数为7层(1CN表示一层碳纤维单向预浸料)；
步骤三、将步骤二中包覆于气袋4外的预浸料1装入钢外模3内，然后放入烘箱中加热，并在加热过程中利用空气压缩机向气袋4内通入压缩空气5，使预浸料1在温度为150℃，压力为0.9MPa的条件下固化30min(热压固化状态如图1所示)，固化完毕后放气卸压，脱除钢外模3和包覆有泡沫芯模2的气袋4，得到碳纤维复合材料薄壁曲线管件。
经检测，本实施例所制备的碳纤维复合材料薄壁曲线管件的外径为22mm，平均壁厚为0.98mm。本实施例利用泡沫芯模控制制品的内形面，利用钢外模控制制品的外形面，能够根据实际需要对模具进行设计调整从而制备出多种形貌、多种尺寸的复合材料制品，具有制品形貌可控性强、表面状态光洁、力学性能较好、简单经济等优点，适用于连续长度、大尺寸、曲线形管制品的成型。
实施例2
本实施例所要制备的碳纤维复合材料薄壁曲线管件的形状为弧形，其外径为22mm，壁厚为1.5mm，弦长为3.0m。本实施例所选用的泡沫芯模2的直径为16mm，所选用的钢外模3的内径为22mm。结合图1，本实施例碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将泡沫芯模2装入气袋4内，然后将气袋4连接真空泵，之后开启真空泵对所述气袋4进行抽真空处理，直至使气袋4紧密包覆于泡沫芯模2外；
步骤二、将预浸料1均匀包覆于步骤一中装有泡沫芯模2的气袋4外；所述预浸料1包括单向碳纤维/环氧树脂预浸料和碳纤维编织布/环氧树脂预浸料，所述预浸料1中单向碳纤维/环氧树脂预浸料的纤维面密度为125g/m2，含胶量为30％；所述预浸料1中碳纤维编织布/环氧树脂预浸料的纤维面密度为200g/m2，含胶量为40％；所述包覆的具体过程为：按照90°2CN/20°1CN/-20°1CN/90°1CN/20°1CN/-20°1CN/90°2CN/0°1C的铺层方式包覆，包覆总层数为10层(1CN表示为一层单向碳纤维/环氧树脂预浸料,2CN表示为两层单向碳纤维/环氧树脂预浸料，1C表示为一层碳纤维编织布/环氧树脂预浸料)；
步骤三、将步骤二中包覆于气袋4外的预浸料1装入钢外模3内，然后放入烘箱中加热，并在加热过程中利用空气压缩机向气袋4内通入压缩空气5，使预浸料1在温度为150℃，压力为0.9MPa的条件下固化30min(热压固化状态如图1所示)，固化完毕后放气卸压，脱除钢外模3和包覆有泡沫芯模2的气袋4，得到碳纤维复合材料薄壁曲线管件。
经检测，本实施例所制备的碳纤维复合材料薄壁曲线管件的外径为22mm，平均壁厚为1.54mm。本实施例利用泡沫芯模控制制品的内形面，利用钢外模控制制品的外形面，能够根据实际需要对模具进行设计调整从而制备出多种形貌、多种尺寸的复合材料制品，具有制品形貌可控性强、表面状态光洁、力学性能较好、简单经济等优点，适用于连续长度、大尺寸、曲线形管制品的成型。
实施例3
本实施例所要制备的碳纤维复合材料薄壁曲线管件的形状为弧形，其外径为50mm，壁厚为2mm，弦长为8.0m。本实施例所选用的泡沫芯模2的直径为42mm，所选用的钢外模3的内径为50mm。结合图1，本实施例碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将泡沫芯模2装入气袋4内，然后将气袋4连接真空泵，之后开启真空泵对所述气袋4进行抽真空处理，直至使气袋4紧密包覆于泡沫芯模2外；
步骤二、将预浸料1均匀包覆于步骤一中装有泡沫芯模2的气袋4外；所述预浸料1包括单向碳纤维/环氧树脂预浸料和碳纤维编织布/环氧树脂预浸料，所述预浸料1的单向碳纤维/环氧树脂预浸料纤维面密度为150g/m2，含胶量为33％；所述预浸料1的碳纤维编织布/环氧树脂预浸料纤维面密度为200g/m2，含胶量为45％；所述包覆的具体过程为：按照90°2CN/20°1CN/-20°2CN/90°2CN/20°2CN/-20°1CN/90°2CN/0°1C的铺层方式包覆，包覆总层数为13层(1CN表示为一层单向碳纤维/环氧树脂预浸料,2CN表示为两层单向碳纤维/环氧树脂预浸料，1C表示为一层碳纤维编织布/环氧树脂预浸料)；
步骤三、将步骤二中包覆于气袋4外的预浸料1装入钢外模3内，然后放入烘箱中加热，并在加热过程中利用空气压缩机向气袋4内通入压缩空气5，使预浸料1在温度为150℃，压力为1.0MPa的条件下固化30min(热压固化状态如图1所示)，固化完毕后放气卸压，脱除钢外模3和包覆有泡沫芯模2的气袋4，得到碳纤维复合材料薄壁曲线管件。
经检测，本实施例所制备的碳纤维复合材料薄壁曲线管件的外径为50mm，平均壁厚为2.02mm。本实施例利用泡沫芯模控制制品的内形面，利用钢外模控制制品的外形面，能够根据实际需要对模具进行设计调整从而制备出多种形貌、多种尺寸的复合材料制品，具有制品形貌可控性强、表面状态光洁、力学性能较好、简单经济等优点，适用于连续长度、大尺寸、曲线形管制品的成型。
实施例4
本实施例所要制备的碳纤维复合材料薄壁曲线管件的形状为弧形，其外径为10mm，壁厚为0.5mm，弦长为1.5m。本实施例所选用的泡沫芯模2的直径为8.5mm，所选用的钢外模3的内径为10mm。结合图1，本实施例碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将泡沫芯模2装入气袋4内，然后将气袋4连接真空泵，之后开启真空泵对所述气袋4进行抽真空处理，直至使气袋4紧密包覆于泡沫芯模2外；
步骤二、将预浸料1均匀包覆于步骤一中装有泡沫芯模2的气袋4外；所述预浸料1为单向碳纤维/环氧树脂预浸料，所述预浸料1的纤维面密度为175g/m2，含胶量为38％(质量百分含量)；本实施例中包覆的具体过程为：按照90°1CN/20°1CN/-20°1CN的铺层方式包覆，包覆总层数为3层(1CN表示一层碳纤维单向预浸料)；
步骤三、将步骤二中包覆于气袋4外的预浸料1装入钢外模3内，然后放入烘箱中加热，并在加热过程中利用空气压缩机向气袋4内通入压缩空气5，使预浸料1在温度为150℃，压力为0.8MPa的条件下固化30min(热压固化状态如图1所示)，固化完毕后放气卸压，脱除钢外模3和包覆有泡沫芯模2的气袋4，得到碳纤维复合材料薄壁曲线管件。
经检测，本实施例所制备的碳纤维复合材料薄壁曲线管件的外径为10mm，平均壁厚为0.48mm。本实施例利用泡沫芯模控制制品的内形面，利用钢外模控制制品的外形面，能够根据实际需要对模具进行设计调整从而制备出多种形貌、多种尺寸的复合材料制品，具有制品形貌可控性强、表面状态光洁、力学性能较好、简单经济等优点，适用于连续长度、大尺寸、曲线形管制品的成型。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法，其特征在于，该方法采用的模具包括泡沫芯模(2)和钢外模(3)，所述泡沫芯模(2)的形状为曲线柱状，所述钢外模(3)的形状为曲线管状，所述泡沫芯模(2)的外壁形状与所要制备的碳纤维复合材料薄壁曲线管件的内壁形状相匹配，所述钢外模(3)的内壁形状与所述碳纤维复合材料薄壁曲线管件的外壁形状相匹配，所述泡沫芯模(2)的横截面形状为圆形，所述钢外模(3)的横截面形状为圆环形，所述泡沫芯模(2)的直径尺寸不大于所述碳纤维复合材料薄壁曲线管件的内径尺寸，所述钢外模(3)的内径尺寸与所述碳纤维复合材料薄壁曲线管件的外径尺寸相等，该方法包括以下步骤：
步骤一、将泡沫芯模(2)装入气袋(4)中，然后利用真空泵对所述气袋(4)进行抽真空处理，直至使气袋(4)紧密包覆于泡沫芯模(2)外；
步骤二、将预浸料(1)均匀包覆于步骤一中装有泡沫芯模(2)的气袋(4)外；所述预浸料(1)为碳纤维/环氧树脂预浸料；
步骤三、将步骤二中内部包覆有泡沫芯模(2)和气袋(4)的预浸料(1)装入钢外模(3)中，然后放入烘箱中加热，并在加热过程中利用空气压缩机向气袋(4)内通入压缩空气(5)，使预浸料(1)在温度为150℃，压力为0.8MPa～1.0MPa的条件下固化30min，固化完毕后放气卸压，脱除钢外模(3)以及装有泡沫芯模(2)的气袋(4)，得到碳纤维复合材料薄壁曲线管件，所述碳纤维复合材料薄壁曲线管件的壁厚为0.5mm～2.0mm。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法，其特征在于，所述泡沫芯模(2)的直径尺寸为所述碳纤维复合材料薄壁曲线管件内径尺寸的84％～95％。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法，其特征在于，所述泡沫芯模(2)的材质为聚氨酯泡沫。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法，其特征在于，步骤二中所述碳纤维/环氧树脂预浸料中碳纤维的面密度为125g/m2～200g/m2，所述碳纤维/环氧树脂预浸料的含胶量为30％～45％。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法，其特征在于，步骤三中所述碳纤维复合材料薄壁曲线管件的外径为10mm～50mm。
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