CN112477082A - 一种碳纤维复合材料结构层的缠绕成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料结构层的缠绕成型方法，所述缠绕成型方法包括如下步骤：步骤S1、根据浸胶与胶液含量及缠绕张力对制品的影响确定张力制度，利用张力制度缠绕使各层碳纤维的初应力相等，使内模和碳纤维复合材料的变形相协调；步骤S2、针对制品的结构特点，选择基体树脂和固化制度进行固化；步骤S3、确定碳纤维复合材料结构层的纤维铺层顺序和缠绕线型，并根据纤维铺层顺序和缠绕线型、张力制度和固化制度编制纤维缠绕控制程序；步骤S4、根据缠绕控制程序对制品进行纤维缠绕成型。本发明在复合材料结构层的制造过程中，主要运用纤维缠绕技术，通过二次缠绕装配，实现复合材料的一体化缠绕成型，提高制品的纤维性能发挥效率。

Description

一种碳纤维复合材料结构层的缠绕成型方法

技术领域

本发明属于飞机结构的设计领域，涉及一种碳纤维复合材料结构层的缠绕成型方法。

背景技术

吊挂盒段下连杆是吊挂盒段的重要传力零件，用于连接吊挂盒段底部和机翼下翼面，传递发动机推力。飞机吊挂盒段下连杆通常为金属材料，波音787飞机首次采用复合材料筒和钛合金组成复合材料连杆用于连接吊挂和机翼下翼面，与之前纯金属连杆相比，减重明显。

下连杆的结构主要承受拉压载荷，其纤维方向应尽量采用轴向或近轴向铺层。但按照缠绕经验分析，铺层结构的纤维发挥效率一般低于缠绕结构，这主要是由于在纤维缠绕过程中由于纤维张力的施加，可以保证纤维的走向更加平直，充分发挥了纤维复合材料的强度。在复合材料连杆的制造过程中，实现复合材料连杆的一体化缠绕成型，现有缠绕成型方法缠绕出的下连杆纤维性能发挥效率低。

发明内容

针对目前缠绕成型方法缠绕出的下连杆的纤维性能发挥效率低的问题，本发明提供了一种碳纤维复合材料结构层的缠绕成型方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种碳纤维复合材料结构层的缠绕成型方法，包括如下步骤：

步骤S1、根据浸胶与胶液含量及缠绕张力对制品的影响确定张力制度，利用张力制度缠绕使各层碳纤维的初应力相等，使内模和碳纤维复合材料的变形相协调；

步骤S2、针对制品的结构特点，选择基体树脂和固化制度进行固化；

步骤S3、确定碳纤维复合材料结构层的纤维铺层顺序和缠绕线型，并根据纤维铺层顺序和缠绕线型、张力制度和固化制度编制纤维缠绕控制程序；

步骤S4、根据缠绕控制程序对制品进行纤维缠绕成型。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明在复合材料结构层的制造过程中，主要运用纤维缠绕技术，通过二次缠绕装配，实现复合材料的一体化缠绕成型，提高制品的纤维性能发挥效率。

附图说明

图1为连杆制备流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式提供了一种碳纤维复合材料结构层的缠绕成型方法，所述方法包括如下步骤：

S1、根据浸胶与胶液含量及缠绕张力对制品的影响确定张力制度，利用张力制度缠绕使各层碳纤维的初应力相等，使内模和碳纤维复合材料的变形相协调。

胶液含量的高低、变化及分布对纤维缠绕制品性能影响很大：一是直接影响对制品质量和厚度的控制；二是从强度角度看，含胶量过高，会使制品复合强度降低。含胶量过低，制品空隙率增加，使制品气密性、耐老化性能及剪切强度下降。同时也影响纤维强度的发挥。此外，胶液含量过大的变化会引起不均匀的应力分布，并在某些区域引起破坏。因此，纤维浸胶过程必须严格控制。

在纤维缠绕过程中，纤维所受的张紧力称缠绕张力，是缠绕工艺的重要参数。张力大小、各束纤维间张力的均匀性以及各缠绕层之间缠绕张力的均匀性，对制品质量影响极大。

(1)张力对制品机械性能的影响

纤维缠绕制品的强度和疲劳性能与缠绕张力有密切的关系。张力过小，制品强度偏低。由于张力小，连杆在承载时变形就大，而连杆的变形越大，其耐疲劳性能就越差；张力过大，由于纤维磨损而使其强度损失增大，制品强度下降。

缠绕张力能使树脂基体产生预应力，从而可提高基体抵抗开裂的能力。纤维缠绕结构承压时，由于应变集中，开裂首先都在垂直纤维方向的树脂基体开始。因为垂直纤维方向的允许变形比纤维方向约低10倍。缠绕张力可使纤维间的树脂产生预应力，从而提高了垂直纤维方向树脂基体的拉伸强度，亦即提高了垂直纤维方向的允许变形。

纤维之间张力的均匀性，对制品性能影响很大。各纤维束所受张力的不均匀性越大，制品强度越低。因此，缠绕制品时应尽量保持束间、束内纤维张力均匀。为此，应采用低捻度、张力均匀的纤维，并尽量保持纱片内各束纤维是平行的。

(2)张力对制品密实程度的影响

缠绕在曲面上的纤维，其缠绕张力将产生垂直于芯模表面的法向力，使制品致密的成型压力与缠绕张力成正比。

众所周知，纤维缠绕制品的孔隙率是影响其性能的重要因素，而孔隙率是随缠绕张力而变化的。张力增大，孔隙率降低，这也是增大缠绕张力能够提高制品强度的一个重要原因。

(3)张力对含胶量的影响

缠绕张力对纤维浸渍质量、制品含胶量及均匀性影响非常大。随着缠绕张力增大，含胶量降低。在湿法缠绕中，由于缠绕张力的径向分量—法向压力的作用，胶液将由内层被挤向外层，因而将出现胶液含量沿壁厚不均匀—内低外高现象。采用分层固化或预浸材料可减轻或避免这种现象。

(4)张力制度的制定

纤维是连续地一圈一圈缠绕到芯模上去的。在缠绕张力作用下，后缠上去的纤维层都对先缠上去的纤维层产生径向压力，迫使其径向发生压缩变形，从而使内层纤维变松。如果采用恒定的缠绕张力，将会使制品纤维层呈现内松外紧状态，从而使内外层纤维的初应力产生很大的差异，导致纤维不能同时承载，从而大大降低制品强度和疲劳性能。采用逐层递减的张力制度，虽然后缠上去的纤维层对先缠上去的纤维层仍有削减初张力的作用，但可控制后一层和前一层削减后的张力相同。于是，便可使从内到外的全部缠绕层具有相同的初张力，使制品强度和疲劳性能得到提高。

碳纤维复合材料连杆逐层递减的张力制度在使用时较麻烦，因此通常采用2～3层递减一次，递减幅度等于逐层递减几层的总和。通过张力制度的确定，使内模与复合材料结构层的碳纤维张力协调化，使碳纤维的使用得以优化，使碳纤维整体的工作条件和局部单层的工作条件得以和连杆整体承载的性能联系起来。

S2、针对制品的结构特点，选择基体树脂和固化制度进行固化，固化制度包括加热的温度范围、升温速度、温度梯度、保温时间和降温冷却。

(1)加热固化

高分子物质随着聚合(固化)过程的进行，分子量增大，分子运动困难，位阻效应增大，活化能较高，因此需要加热到一定温度才能反应。由于加热可使固化反应较为彻底，因此，加热固化比常温固化的制品强度至少可提高20～25％。此外，加热固化可缩短固化时间。一般温升10℃，可提高化学反应速度2倍。

(2)升温速度

升温阶段要平稳，升温速度不应太快。否则，由于化学反应激烈，溶剂等低分子物质易急剧逸出而形成大量气泡，特别是在低沸点组分的沸点以下时(如丙酮)，为了赶出气泡，升温应慢些。过了丙酮沸点后，升温可适当快些。纤维缠绕玻璃钢制品的导热系数仅为金属的1/150，升温速度快，必然使结构各部分温差很大。特别是为使制品内部达到反应温度而又不使外表层温度过高甚至固化(不仅内部挥发物跑不出来，而且易产生很大内应力)，升温速度应严格控制。通常采用的升温速度为0.5～1℃/min。

(3)温度梯度与保温时间

指固化温度在某一温度值保温一定时间。通常在初期，有一个低温恒温阶段，利于小分子排除和初步交联反应；在最高固化温度下，要保证足够的恒温时间，以保证树脂固化反应完全。最高固化温度值取决于树脂***，主要由DTA或DSC测定的树脂放热曲线来确定。保温时间则取决于两方面：一是树脂聚合反应所需时间；二是传热时间，即通过不稳定导热使制品内部达到最高固化温度所需的时间。目的是使树脂固化完全，并使制品各部分固化收缩均匀平衡，避免由内应力引起的变形和开裂。

(4)降温冷却

碳纤维复合材料连杆固化结束后，要缓慢降温，而不能骤冷。由于纤维缠绕制品结构中，顺纤维方向与垂直纤维方向的线膨胀系数相差4倍，制品从较高温度若不缓慢冷却，各方向部位收缩就不一致，特别是垂直纤维方向的树脂基体将承受拉应力(温度应力)，而垂直纤维方向的拉伸强度比纯树脂还低，因此，就可能发生开裂破坏。

S3、确定碳纤维复合材料结构层的纤维铺层顺序和缠绕线型，并根据纤维铺层顺序和缠绕线型、张力制度和固化制度编制纤维缠绕控制程序。

S4、根据缠绕控制程序对制品进行纤维缠绕成型，缠绕线型包括环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕，其中：

环向缠绕是芯模绕自身轴线均匀旋转，绕丝嘴绕芯模筒体轴线平行方向移动，芯模每转一周，绕丝嘴移动一个纱片宽度，如此循环下去，直到纱片均匀布满芯模筒体段表面为止。

纵向缠绕又称平面缠绕，缠绕时，缠绕机的绕丝嘴在固定的平面内做均匀速度圆周运动，芯模绕自身轴线慢速旋转，绕丝嘴每转一周，芯模旋转一个微小角度，相当于芯模表面一个纱片宽度；纱片依次连续缠绕到芯模上，各纱片均与两极孔相切，各纱片依次紧挨而不相交；纤维缠绕轨道近似为一个平面单圆封闭曲线。

螺旋缠绕是芯模绕自身轴线均匀转动，绕丝嘴沿芯模轴线方向按缠绕角所需要的速度往复运动；螺旋缠绕纤维在封头上提供经纬两个方向的强度，在筒身段提供环向和纵向两个方向的强度。

具体选择何种缠绕方式，应考虑如下影响因素：

a、制品的结构形状和尺寸

螺旋缠绕应用普遍，对于长形管状制品是理想的。平面缠绕主要用于球形、扁椭球、长径比小于4的筒形结构的缠绕。此外，也适用于两脖子直径不等结构的缠绕。对这类连杆如果采用螺旋缠绕，为保证两个脖子均匀布满，则要求在两个接头上都按各自的测地线缠绕，而这种双重缠绕角的实现是比较困难的。如果两封头不按测地线进行缠绕，就势必要增加重量。而纵向缠绕，两极孔不同，影响不大。

b、强度要求

螺旋缠绕，纤维在筒身上交叉程度相当大，从强度观点看是不利的。因为交叉点处的纤维在承载状态下有被拉直的趋势，纤维交叉程度大就容易产生分层和破坏。其次，由于纤维交叉空隙率偏高，而空隙率是使制品剪切强度降低的主要原因。纵向缠绕，纤维在筒体是不交叉的，而以完整的缠绕层依次逐层重叠，排列较好。因此，纵向缠绕可望获得高强度，并因而减轻制品质量。

c、荷载特性

当连杆受到轴向拉压载荷时，纵向缠绕灵活性较大。

综上所述，为了保证碳纤维复合材料连杆的轻量化要求，采用基于摩擦系数表征的变角度纤维轨迹规划的纤维缠绕技术和方法，以充分发挥碳纤维复合材料的高强高模特性，实现了变刚度优化设计，达到了减重的目的。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种制备复合材料连杆的方法，具体制备流程如图1所示。本实施方式主要针对纤维缠绕，实现碳纤维复合材料结构层的缠绕成型，由于纤维使用的各种浸润剂通常都是水溶液的，以及存储过程中也会吸附大量水分，而纤维表面的这些游离水分不仅影响树脂基体与纤维的粘合，同时将引起微裂纹等缺陷的进一步扩展，从而使制品强度和耐老化性能下降。因此，纤维在使用前需经烘干处理。烘干温度为80℃，烘干时间为12小时。在纤维缠绕结构中，基体材料起粘结固定纤维的作用，以剪切力的形式向纤维传递载荷，并保护纤维免受外界环境的损伤。纤维与树脂体系匹配的好坏直接影响到缠绕成型工艺和制品的性能。因此，为了使树脂能够很好地浸渍纤维，树脂要按其使用要求，进行温度调控、粘度测试等预处理和准备工作。固化剂要预先进行溶解，以便使其能够很好地与树脂混溶在一起。将经过检验的内连接筒模具进行内外表面的处理和清洗，保证其与复合材料能够很好地贴合在一起。处理和清洗的方法是先采用乙酸乙酯进行去油，清洗晾干后，再用丙酮进行去污处理，然后自然晾干。

具体实施方式三：本实施方式采用日本东丽公司生产的T700系列碳纤维，其密度为1.80g/cm³，拉伸强度为4900MPa，弹性模量为230GPa，延伸率为2.1％；树脂采用TDE-85环氧树脂，这是一种三官能度高性能脂环族环氧树脂，分子中含有1个脂环环氧基和2个缩水甘油酯基，具有较高的剪切强度、较低的收缩率和优良的耐温性，其固化制度为：由室温升温到80℃，保温2小时后升温到130℃，再保温2小时后降温到室温。采用一定的张力制度，选择纵向缠绕的方式，对直筒管型件进行缠绕成型，两端切割脱模后与加工成型后的金属接头进行表面处理后进行装配，最后将金属接头和直筒管型件通过同样的缠绕成型方式进行整体成型，从而完成复合材料连杆的制备。

Claims (5)

1.一种碳纤维复合材料结构层的缠绕成型方法，其特征在于所述缠绕成型方法包括如下步骤：

步骤S1、根据浸胶与胶液含量及缠绕张力对制品的影响确定张力制度，利用张力制度缠绕使各层碳纤维的初应力相等，使内模和碳纤维复合材料的变形相协调；

步骤S2、针对制品的结构特点，选择基体树脂和固化制度进行固化；

步骤S3、确定碳纤维复合材料结构层的纤维铺层顺序和缠绕线型，并根据纤维铺层顺序和缠绕线型、张力制度和固化制度编制纤维缠绕控制程序；

步骤S4、根据缠绕控制程序对制品进行纤维缠绕成型。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料结构层的缠绕成型方法，其特征在于所述张力制度为：2～3层递减一次，递减幅度等于逐层递减几层的总和。

3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料结构层的缠绕成型方法，其特征在于所述固化制度包括加热的温度范围、升温速度、温度梯度、保温时间和降温冷却。

4.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料结构层的缠绕成型方法，其特征在于所述升温速度为0.5～1℃/min。

5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料结构层的缠绕成型方法，其特征在于所述缠绕线型包括环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕中的一种或几种。

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