CN114131956B - 净尺寸复合材料异构件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种净尺寸复合材料异构件的制备方法。本方法包括如下步骤：制备预浸碳布；将预浸碳布冷冻后，按照复合材料异构件的型面将冷冻后的片状预浸碳布裁切成相应的环状预浸碳布，再冷冻保存；环形下模具组件预热；环状预浸碳布铺层；将所述环形下模具组件‑预浸碳布铺层包裹透气毡和真空袋，在40～60℃条件下抽真空，真空度为‑0.07～‑0.12MPa，并预热3.5～4.5h，真空袋去除后得到环形下模具组件‑一次预成型异构件；模压，二次预成型；模压固化；取出异构件。该制备方法简化了预浸碳布的铺贴工艺，提高了异构件的制备效率，通过两次预成型工艺及最后的模压固化工艺，准确地将异构件的制备误差控制在预设精度范围内。

Description

净尺寸复合材料异构件的制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料的制备技术领域，具体地指一种净尺寸复合材料异构件的制备方法。
背景技术
航天领域的柔性喷管一般采用金属作为摆动喷管的承力材料，金属制备的承力件不但最高使用温度要求达到250℃以上，而且还要能够承受喷射载荷，燃烧室压强和摆动，并能在相应载荷下保持基本结构形状。非金属复合材料具备质量轻、强度高的力学性能，在航空航天领域的应用日益广泛。使用非金属复合材料代替柔性喷管中的金属承力材料，能够使柔性喷管具备更加优异的功能，提升产品的综合性能。
柔性喷管中非金属制备的承力件需同时满足以下几点：1.耐高温；2.高承重力；3.高装配精度；4.不存在变形问题；5.高要求的外观质量。现有专利申请“一种耐高温碳纤维复合材料筒体承力层及其制备工艺”(申请公布号：CN 113059828 A)承力及耐高温性能满足使用要求，但是预浸料片在铺贴过程中需采取对接的方式进行拼接，且每层的铺贴起点需要错位，承力层的制造工艺繁琐，生产效率低。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种净尺寸复合材料异构件的制备方法，在预浸碳布铺贴过程中，将冷冻后的预浸碳布裁剪成与异构件产品的型面相匹配的环状预浸碳布，再进行轴向的逐层铺贴，避免了沿圆周方向逐片拼接预浸碳布的麻烦；另外在异构件成型过程中，首先采用抽真空工艺制得一次预成型的异构件，然后通过下压膜与上压膜的配合加压，制得二次预成型的异构件，最后通过模压固化工艺，准确地将内部夹杂的异构件的制备误差控制在预设精度范围内。
为实现上述目的，本发明研制出了一种净尺寸复合材料异构件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)，制备预浸碳布：以平纹碳布、钡酚醛树脂制备预浸碳布；
步骤2)，预浸碳布冷冻、分切：将预浸碳布冷冻一段时间后取出，按照复合材料异构件的型面将冷冻后的片状预浸碳布裁切成相应的环状预浸碳布，再冷冻保存；
步骤3)，环形下模具组件预热：将与所述复合材料异构件外侧型面相匹配的环形下模具组件装配完毕后，在40～60℃条件下将环形下模具组件预热1～2h，将所述环状预浸碳布在环形下模具组件内侧试粘，若环状预浸碳布能够粘贴在环形下模具组件内侧，则进行步骤4)；
步骤4)，环状预浸碳布铺层；将所述环状预浸碳布逐层铺贴在环形下模具组件内侧表面，手工剪切未贴合部分的预浸碳布，重复上述步骤铺贴若干层，使预浸碳布铺层厚度为复合材料异构件厚度的1.2～1.4倍，得到环形下模具组件-预浸碳布铺层；
步骤5)，抽真空，一次预成型；将所述环形下模具组件-预浸碳布铺层包裹透气毡和真空袋，在40～60℃条件下抽真空，真空度为-0.07～-0.12MPa，并预热3.5～4.5h，真空袋去除后得到环形下模具组件-一次预成型异构件；
步骤6)，模压，二次预成型：将与所述复合材料异构件内侧型面相匹配、同时与所述环形下模具组件相匹配的环形上模具组件装配完毕后，在一次预成型异构件内侧盖合环形上模具组件，并将环形下模具组件与环形上模具组件之间采用大螺钉紧固，然后在加压机上加压4～6MPa，多次加压紧固后，得到环形下模具组件-二次预成型异构件-环形上模具组件；
步骤7)，模压固化：将所述环形下模具组件--二次预成型异构件-环形上模具组件按照逐渐增加温度的方式进行模压固化，并在模压固化过程中加压9～12MPa，模压固化降温至85～95℃后即可停止加压，得到环形下模具组件-复合材料异构件-环形上模具组件，待环形下模具组件或环形上模具组件降温至25～35℃后，将环形下模具组件-复合材料异构件-环形上模具组件从压力机上取下；
步骤8)，取出异构件：先将环形下模具组件和环形上模具组件之间的大螺钉拆卸，再将环形上模具组件拆卸，最后将环形下模具组件拆卸，得到净尺寸的复合材料异构件。
优选地，步骤1)中，所述预浸碳布中的钡酚醛树脂重量含量为40％～55％。
优选地，步骤2)中，所述环状预浸碳布内径为复合材料异构件小头端的外径，所述环状预浸碳布外径为复合材料异构件大头端的外径的1.0～1.2倍。
优选地，步骤3)中，所述环形下模具组件进行装配之前，需将用于铺贴环状预浸碳布的所述环形下模具组件内侧用酒精清理干净后涂覆脱模剂，待脱模剂晾干后备用。
优选地，所述环状预浸碳布在环形下模具组件内侧试粘之前，需解冻至室温后待用。
优选地，步骤4)中，手工剪切未贴合部分的预浸碳布填充在预浸碳布铺层的下拐角部分并压实，铺贴若干层后将预浸碳布铺层的上凸出部分向内推，使有铺层后的预浸碳布铺层有2～5°的向内斜度。
优选地，步骤6)中，多次加压紧固期间，需多次掀开环形上模具组件，将手工剪切未贴合部分的预浸碳布填充在预浸碳布铺层的下拐角部分及上凸出部分，确保下拐角部分及上凸出部分无缺料。
优选地，步骤7)中，所述逐渐增加温度的方式按照50℃±5℃/1h→130℃±5℃/4h→150℃±5℃/1h的方式进行。
优选地，步骤8)中，净尺寸的所述复合材料异构件需使用细锉刀对其飞边进行打磨，打磨时保护棱边。
优选地，步骤3)中，所述环形下模具组件包括其内侧型面与所述复合材料异构件外侧型面相匹配的环形下模具，所述环形下模具内侧下部设有用于支撑复合材料异构件的下镶块，所述下镶块与下模具之间采用下螺钉连接，所述环形下模具外侧设有便于搬运的下吊环；步骤6)中，所述环形上模具组件包括其外侧与所述复合材料异构件内侧型面相匹配的环形上模具，所述环形上模具外侧上部设有用于卡住复合材料异构件的上镶块，所述上镶块与上模具之间采用上螺钉连接，所述环形上模具上部外周设有便于搬运的上吊环。
本发明的优点在于：
1、本方法通过将冷冻后的预浸碳布裁剪成与异构件产品的型面相匹配的环状预浸碳布，再进行轴向的逐层铺贴，简化铺贴工艺，缩短铺贴时间；
2、本方法在异构件成型过程中，首先采用抽真空工艺制得一次预成型的异构件，相比热压罐成型工艺，抽真空工艺一方面能够将预浸碳布中多余的挥发性物质抽取出来，另一方面能够借助环境大气压的作用将预浸碳布铺层压实得更紧密，经济环保；
3、本方法在异构件的一次预成型之后，又进行了模压二次预成型，最后再进行模压固化，准确地将内部夹杂的异构件的制备误差控制在预设精度范围内。
本发明净尺寸复合材料异构件的制备方法简化了预浸碳布的铺贴工艺，提高了异构件的制备效率，通过两次预成型工艺及最后的模压固化工艺，准确地将异构件的制备误差控制在预设精度范围内。
附图说明
图1是本发明复合材料异构件的立体图；
图2是本发明环状预浸碳布的结构示意图；
图3是本发明下模具组件-复合材料异构件-上模具组件组装剖视图；
图4是图3的***图；
图5是图3中的复合材料异构件的剖视放大图；
图中：
环形下模具组件1、环形上模具组件2、大螺钉3、环状预浸碳布4、复合材料异构件5；
环形下模具组件1包括：环形下模具1-1、下镶块1-2、下螺钉1-3、下吊环1-4；
环形上模具组件2包括：环形上模具2-1、上镶块2-2、上螺钉2-3、上吊环2-4；
上凸出部分A、下拐角部分B、环状预浸碳布4内径D1、环状预浸碳布4外径D2、复合材料异构件5小头端的外径D3、复合材料异构件5大头端的外径D4。
实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。
本发明净尺寸复合材料异构件的制备方法，包括如下步骤：
步骤1)，制备预浸碳布：以平纹碳布、钡酚醛树脂制备预浸碳布。
具体制备过程如下：
将钡酚醛树脂倒入浸胶槽中，将平纹碳布浸泽在浸胶槽中，浸泽1min后将平纹碳布取出，使用刮胶板将钡酚醛树脂胶液刮下，在室温下凉至胶液半固化，在90℃条件下烘3min得到预浸碳布。优选地，所述预浸碳布中的钡酚醛树脂含量为52％。检测预浸碳布理化性能如下表1。
表1预浸碳布理化性能
检测项目 预浸碳布性能
挥发份含量 5.74％
树脂含量 51％
可溶性树脂含量 93％
从表1中，可以看出，预浸碳布中的挥发份物质含量为5.74％，不宜采用热压罐成型工艺。
步骤2)，预浸碳布冷冻、分切：将预浸碳布冷冻一段时间后取出，按照复合材料异构件5的型面将冷冻后的片状预浸碳布裁切成相应的环状预浸碳布4，再冷冻保存。
具体地，如图1所示，为复合材料异构件5的立体结构图。将制备的预浸碳布在冰库中保存24h后按照复合材料异构件5的型面将冷冻后的片状预浸碳布裁切成环状预浸碳布4，如图2所示。图2中的环状预浸碳布4内径D1等于复合材料异构件5小头端的外径D3，为275mm，环状预浸碳布4外径D2等于复合材料异构件5大头端的外径D4的1.1倍，D4为375mm，则D2为412.5mm。最后将裁剪后的环状预浸碳布4放在自封袋中置于冰库中待用。
步骤3)，环形下模具组件预热：将与所述复合材料异构件5外侧型面相匹配的环形下模具组件1装配完毕后，在40～60℃条件下将环形下模具组件1预热1～2h，将所述环状预浸碳布4在环形下模具组件1内侧试粘，若环状预浸碳布4能够粘贴在环形下模具组件1内侧，则进行步骤4)。
具体地，将裁剪后的环状预浸碳布4在自封袋中解冻，待解冻至室温后待用。如图3和4所示，所述环形下模具组件1包括其内侧型面与所述复合材料异构件5外侧型面相匹配的环形下模具1-1，所述环形下模具1-1内侧下部设有用于支撑复合材料异构件5的下镶块1-2，所述下镶块1-2与下模具1-1之间采用下螺钉1-3连接，所述环形下模具1-1外侧设有便于搬运的下吊环1-4。所述环形下模具组件1在进行组件装配之前，需将环形下模具1-1内侧用酒精清理干净后涂覆脱模剂，待脱模剂晾干后备用。
环形下模具组件1装配完毕后，将环形下模具组件1放入烘箱中，在50℃条件下预热1.5h，将所述环状预浸碳布4在环形下模具组件1内侧试粘，若环状预浸碳布4能够粘贴在环形下模具组件1内侧，则进行步骤4)；若环状预浸碳布4不能够粘贴在环形下模具组件1内侧，则调整预热时间，直到环状预浸碳布4能够粘贴在环形下模具组件1内侧为止。
步骤4)，环状预浸碳布铺层；将所述环状预浸碳布4逐层铺贴在环形下模具组件1内侧表面，手工剪切未贴合部分的预浸碳布，重复上述步骤铺贴若干层，使预浸碳布铺层厚度为复合材料异构件5厚度的1.2～1.4倍，得到环形下模具组件-预浸碳布铺层。
具体地，手工剪切未贴合部分的预浸碳布填充在预浸碳布铺层的下拐角部分B并压实，铺层厚度为复合材料异构件5厚度的1.3倍，复合材料异构件5厚度为2mm，铺层厚度为2.6mm。铺贴若干层后将预浸碳布铺层的上凸出部分A向内推，使有铺层后的预浸碳布铺层有4°的向内斜度。
步骤5)，抽真空，一次预成型；将所述环形下模具组件-预浸碳布铺层包裹透气毡和真空袋，在40～60℃条件下抽真空，真空度为-0.07～-0.12MPa，并预热3.5～4.5h，真空袋去除后得到环形下模具组件-一次预成型异构件。
具体地，将所述环形下模具组件-预浸碳布铺层包裹透气毡和真空袋，在50℃烘箱中抽真空，真空度-0.09Mpa，预热4h，抽真空预热后将真空袋去除，将预浸碳布铺层的下拐角部分B及上凸出部分A再次压实。
抽真空工艺一方面能够将预浸碳布中多余的挥发性物质抽取出来，另一方面能够借助环境大气压的作用将预浸碳布铺层压实得更紧密，经济环保。
步骤6)，模压，二次预成型：将与所述复合材料异构件5内侧型面相匹配、同时与所述环形下模具组件1相匹配的环形上模具组件2装配完毕后，在一次预成型异构件内侧盖合环形上模具组件2，并将环形下模具组件1与环形上模具组件2之间采用大螺钉3紧固，然后在加压机上加压4～6MPa，多次加压紧固后，得到环形下模具组件-二次预成型异构件-环形上模具组件。
具体地，所述环形上模具组件2包括其外侧与所述复合材料异构件5内侧型面相匹配的环形上模具2-1，所述环形上模具2-1外侧上部设有用于卡住复合材料异构件5的上镶块2-2，所述上镶块2-2与上模具2-1之间采用上螺钉2-3连接，所述环形上模具2-1上部外周设有便于搬运的上吊环2-4。使用大螺钉3紧固环形下模具组件1与环形上模具组件2，并在加压机上加压5MPa，多次加压紧固期间，需多次掀开环形上模具组件2，将手工剪切未贴合部分的预浸碳布填充在预浸碳布铺层的下拐角部分B及上凸出部分A，确保下拐角部分B及上凸出部分A无缺料。
步骤7)，模压固化：将所述环形下模具组件--二次预成型异构件-环形上模具组件按照逐渐增加温度的方式进行模压固化，并在模压固化过程中加压9～12MPa，模压固化降温至85～95℃后即可停止加压，得到环形下模具组件-复合材料异构件-环形上模具组件，待环形下模具组件或环形上模具组件降温至25～35℃后，将环形下模具组件-复合材料异构件-环形上模具组件从压力机上取下。
具体地，将所述环形下模具组件--二次预成型异构件-环形上模具组件按照50℃±5℃/1h→130℃±5℃/4h→150℃±5℃/1h的方式进行模压固化，并在模压固化过程中加压10MPa，模压固化降温至90℃后即可停止加压，待环形下模具组件或环形上模具组件降温至30℃后将环形下模具组件-复合材料异构件-环形上模具组件从压力机上取下。
步骤8)，取出异构件：先将环形下模具组件1和环形上模具组件2之间的大螺钉3拆卸，再将环形上模具组件2拆卸，最后将环形下模具组件1拆卸，得到净尺寸的复合材料异构件5。净尺寸的所述复合材料异构件5需使用细锉刀对其飞边进行打磨，打磨时保护棱边。
上述制备的净尺寸的所述复合材料异构件5内外侧面无褶皱、无凹陷、无断裂；轻微打磨后几何尺寸满足要求；对该净尺寸的所述复合材料异构件5进行轴压试验，实验结果表明该净尺寸的所述复合材料异构件5能够承载26.6t压力，随炉试样的拉伸强度为217MPa(GB/T 1447)，压缩强度为129MPa(GB/T 1448)，剪切强度为35MPa(GB/T1450)；另外，对该净尺寸的所述复合材料异构件5进行性能测试，结果表明该净尺寸的所述复合材料异构件5可以承受350℃的高温，产品质量稳定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种净尺寸复合材料异构件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)，制备预浸碳布：以平纹碳布、钡酚醛树脂制备预浸碳布；
步骤2)，预浸碳布冷冻、分切：将预浸碳布冷冻一段时间后取出，按照复合材料异构件(5)的型面将冷冻后的片状预浸碳布裁切成相应的环状预浸碳布(4)，再冷冻保存；
步骤3)，环形下模具组件预热：将与所述复合材料异构件(5)外侧型面相匹配的环形下模具组件(1)装配完毕后，在40～60℃条件下将环形下模具组件(1)预热1～2h，将所述环状预浸碳布(4)在环形下模具组件(1)内侧试粘，若环状预浸碳布(4)能够粘贴在环形下模具组件(1)内侧，则进行步骤4)；若环状预浸碳布(4)不能够粘贴在环形下模具组件(1)内侧，则调整预热时间，直到环状预浸碳布(4)能够粘贴在环形下模具组件(1)内侧为止；
步骤4)，环状预浸碳布铺层；将所述环状预浸碳布(4)逐层铺贴在环形下模具组件(1)内侧表面，手工剪切未贴合部分的预浸碳布，重复上述步骤铺贴若干层，使预浸碳布铺层厚度为复合材料异构件(5)厚度的1.2～1.4倍，得到环形下模具组件-预浸碳布铺层；
步骤5)，抽真空，一次预成型；将所述环形下模具组件-预浸碳布铺层包裹透气毡和真空袋，在40～60℃条件下抽真空，真空度为-0.07～-0.12MPa，并预热3.5～4.5h，真空袋去除后得到环形下模具组件-一次预成型异构件；
步骤6)，模压，二次预成型：将与所述复合材料异构件(5)内侧型面相匹配、同时与所述环形下模具组件(1)相匹配的环形上模具组件(2)装配完毕后，在一次预成型异构件内侧盖合环形上模具组件(2)，并将环形下模具组件(1)与环形上模具组件(2)之间采用大螺钉(3)紧固，然后在加压机上加压4～6MPa，多次加压紧固后，得到环形下模具组件-二次预成型异构件-环形上模具组件；
步骤7)，模压固化：将所述环形下模具组件-二次预成型异构件-环形上模具组件按照逐渐增加温度的方式进行模压固化，并在模压固化过程中加压9～12MPa，模压固化降温至85～95℃后即可停止加压，得到环形下模具组件-复合材料异构件-环形上模具组件，待环形下模具组件或环形上模具组件降温至25～35℃后，将环形下模具组件-复合材料异构件-环形上模具组件从压力机上取下；
步骤8)，取出异构件：先将环形下模具组件(1)和环形上模具组件(2)之间的大螺钉(3)拆卸，再将环形上模具组件(2)拆卸，最后将环形下模具组件(1)拆卸，得到净尺寸的复合材料异构件(5)。
2.根据权利要求1所述的净尺寸复合材料异构件的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述预浸碳布中的钡酚醛树脂重量含量为40％～55％。
3.根据权利要求1所述的净尺寸复合材料异构件的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述环状预浸碳布(4)内径(D1)等于复合材料异构件(5)小头端的外径(D3)，所述环状预浸碳布(4)外径(D2)等于复合材料异构件(5)大头端的外径(D4)的1.0～1.2倍。
4.根据权利要求1或2或3所述的净尺寸复合材料异构件的制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述环形下模具组件(1)进行装配之前，需将用于铺贴环状预浸碳布(4)的所述环形下模具组件(1)内侧用酒精清理干净后涂覆脱模剂，待脱模剂晾干后备用。
5.根据权利要求4所述的净尺寸复合材料异构件的制备方法，其特征在于：所述环状预浸碳布(4)在环形下模具组件(1)内侧试粘之前，需解冻至室温后待用。
6.根据权利要求5所述的净尺寸复合材料异构件的制备方法，其特征在于：步骤4)中，手工剪切未贴合部分的预浸碳布填充在预浸碳布铺层的下拐角部分(B)并压实，铺贴若干层后将预浸碳布铺层的上凸出部分(A)向内推，使有铺层后的预浸碳布铺层有2～5°的向内斜度。
7.根据权利要求6所述的净尺寸复合材料异构件的制备方法，其特征在于：步骤6)中，多次加压紧固期间，需多次掀开环形上模具组件(2)，将手工剪切未贴合部分的预浸碳布填充在预浸碳布铺层的下拐角部分(B)及上凸出部分(A)，确保下拐角部分(B)及上凸出部分(A)无缺料。
8.根据权利要求7所述的净尺寸复合材料异构件的制备方法，其特征在于：步骤7)中，所述逐渐增加温度的方式按照50℃±5℃/1h→130℃±5℃/4h→150℃±5℃/1h的方式进行。
9.根据权利要求8所述的净尺寸复合材料异构件的制备方法，其特征在于：步骤8)中，净尺寸的所述复合材料异构件(5)需使用细锉刀对其飞边进行打磨，打磨时保护棱边。
10.根据权利要求1或2或3所述的净尺寸复合材料异构件的制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述环形下模具组件(1)包括其内侧型面与所述复合材料异构件(5)外侧型面相匹配的环形下模具(1-1)，所述环形下模具(1-1)内侧下部设有用于支撑复合材料异构件(5)的下镶块(1-2)，所述下镶块(1-2)与下模具(1-1)之间采用下螺钉(1-3)连接，所述环形下模具(1-1)外侧设有便于搬运的下吊环(1-4)；步骤6)中，所述环形上模具组件(2)包括其外侧与所述复合材料异构件(5)内侧型面相匹配的环形上模具(2-1)，所述环形上模具(2-1)外侧上部设有用于卡住复合材料异构件(5)的上镶块(2-2)，所述上镶块(2-2)与上模具(2-1)之间采用上螺钉(2-3)连接，所述环形上模具(2-1)上部外周设有便于搬运的上吊环(2-4)。
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