CN114211771A - 一种碳纤维复合材料支架的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料支架的制造方法。本发明用片状发泡材料预先成型制品的形状，然后包覆碳布放入模具中加热成型。利用低密度发泡芯材的热自膨胀性能与碳纤维结合制造碳纤维制品。制备得到的产品表面光滑平整，没有鼓包，缺胶等情况，良品率高，同时节省了制备时间，降低了操作成本。

Description

一种碳纤维复合材料支架的制造方法
技术领域
本发明涉及纤维复材成型领域，尤其涉及一种碳纤维复合材料支架的制造方法。
背景技术
传统碳纤维复材制品制造方法：一、手糊工艺即在一个标准大气压下手工贴合碳布，使用手糊树脂进行涂刷，然后固话成型。此种方法存在诸多不利因素，特别对操作人员以及环境危害极大，同时生产制造周期长；二、尼龙风管吹气成型工艺，即将预浸料按设计排叠有序贴合后，内部预埋尼龙风管然后合模加热同时对尼龙风管进行吹气保压使预浸料充满型腔固化成型。此种方法在充气成型过程容易产生漏气而导致不良率；三、芯材模压成型工艺，即用硬质泡沫材料作为芯材(硬质泡沫多采用PMI/PU/PVC/巴沙木等)，将硬质泡沫通过cnc裁切成制品形状，然后在硬质泡沫上包覆预浸料，最后成型固化。此种方法主要存在以下问题：1、工序较为复杂CNC成本高，2、物料成本高(胶黏剂、硬质泡沫)3、制品外观难以保证；四、大型真空热压罐制造工艺，即将复合材料毛坯、蜂窝夹芯结构或胶接结构用真空袋密封在模具上，于热压罐中，在真空(或非真空)状态下，经过升温,加压，保温(中温或高温)，降温和泄压过程，使其成为所需要的形状和质量的成形工艺方法。作为复合材料制件主要生产设备的热压罐，是一个具有整体加热***的大型压力容器。其常见的结构是一端封闭，另一端开门的圆柱体，为复合材料制件的压实和固化提供必要的热量和压力，例如常用的航空热固性材料(高温固化环氧树脂)的固化温度为150-175℃，固化压力为500-600kPa，故此真空热压罐罐体本身就需要高额的制造成本，同时利用此工艺成型时热压罐需要消耗巨大的电力能源来保证罐体内能保持住高温高压的状态。也因此使得热压罐制造工艺的制造成本相当昂贵。
发明内容
为解决以上问题，本发明提出一种碳纤维复合材料支架的制造方法。用片状发泡材料预先成型制品的形状(预留包覆碳纱的尺寸:制作相应厚度的垫片铁片；垫片铁片以制品壁厚为标准制作，形状和模具型腔完全一样)，然后包覆碳布放入模具中加热成型。
为实现上述目的，本发明提供一种碳纤维复合材料支架的制造方法，包括如下步骤：
S1，根据制品成品不同部位的厚度要求设计相应厚度(1-10mm)和形状的垫片，沿着模具型腔设置垫片，将垫片置入模具中，随后根据发泡体积填充发泡材料并合紧模具，根据型腔大小放置发泡材料，保证加热后充满型腔，还能保证表面光滑，也就是膨胀用力均匀。
120-150℃(温度与发泡型材的要求一致)加热10-30min，芯材膨胀充满整个模腔，冷却脱模获得预制芯材；
其中垫片是具有导热功能的垫片，优选矽胶板或金属板或耐130度以上的工程塑料板；更优选的，金属板的材质为纯金属或合金的材质；最优选的，纯金属为铝、铁、铜或钛；合金为铝合金、铁合金、铜合金、钛合金或不锈钢。垫片的形状和制品模具型腔一致，目的是为了预留包纱的厚度空间即制品的壁厚。发泡材料的性能要求：120-150℃加热10-30min，加热膨胀后的密度约为0.04-0.08g/cm3；比如豪尔的发泡芯材：HR-313-8；HR-330。耐130度以上的工程塑料板，比如PEEK聚醚醚酮。
S2，将模具里面的垫片移除，在模具中依据排叠设计将碳纤维预浸布和碳纱(角度纱、零度纱)一层层贴合于模具上，其中排叠厚度设计规则如图2所示；贴合方式为最外层即贴合模具的层贴合碳纤维预浸布、然后角度纱、零度纱交错贴合；当碳纱铺设完全后根据实际安装要求将预埋块置入碳纱中打孔并锁死。优选的，预埋块为金属材质的预埋块或耐高温工程塑料材质的预埋块。更优选的，金属材质为铝、铁、铜或不锈钢。
S3，将第一步获得的预制芯材重新埋入第二步的模具中反包碳纱，再盖上碳纤维预浸布，然后盖上模盖将模具锁紧置入成型台120-150℃加热成型0.5-1.5h。比如温度可以是120℃，121℃，125℃，130℃，135℃，140℃，145℃，150℃并不限于这些温度，可以是120-150℃的任何温度；加热成型0.5h,0.6h，0.7h，0.8h，0.9h，1.0h，1.1h，1.2h，1.3h，1.4h，1.5h，并不限于这些时间，可以是0.5-1.5h的任何时间。
S4，将模具置于冷却台上冷却至室温(冷却台温度设置为20℃)，松开模具螺丝打开模具取出碳纤维复合材料支架。
进一步，所述碳纤维复合材料支架是辐射梁，或撑腿或横向支板或棒状或方形管材。
本发明优点：
1.与其他成型方式对比，此方法提高了碳纤维制品成型的良品率高(申请人做了68个制品，良品率达到98.75以上％)。
2.此种成型方式与吹气成型相比，不再需要对模具进行开孔预留孔洞穿插尼龙风管成型，大大的减少了时间和操作成本。
3.本发明方法成型的碳纤制品表面光滑平整，无鼓包，缺胶等情况。
4.本发明利用低密度发泡芯材的热自膨胀性能与碳纤维结合制造碳纤维制品，相对于真空热压罐成型缩短了制造周期降低了成本。
附图说明
图1是支架厚度分布示意图。
图2是模具中排叠厚度设计规则示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
一种碳纤维复合材料支架的制造方法：
S1，根据制品成品不同部位的厚度要求设计相应厚度(3mm、7mm、9mm)和形状的垫片，沿着模具型腔设置垫片，将垫片置入模具中，随后根据发泡体积填充发泡材料并合紧模具，根据型腔大小放置发泡材料，保证加热后充满型腔，还能保证表面光滑，也就是膨胀用力均匀。120-150℃(温度与发泡型材的要求一致)加热10-30min，芯材膨胀充满整个模腔，冷却脱模获得预制芯材；
其中垫片可以是金属板或导热塑料板；优选的，金属板的材质为纯金属或合金的材质；更优选的，纯金属为铝、铁、铜或钛；合金为铝合金、铁合金、铜合金、钛合金或不锈钢；导热塑料板比如PEEK聚醚醚酮)；垫片的形状和制品模具型腔一致，目的是为了预留包纱的厚度空间即制品的壁厚。发泡材料的性能要求：120-150℃加热10-30min，加热膨胀后的密度约为0.04-0.08g/cm3；比如豪尔的发泡芯材：HR-313-8；替换成HR-330也可以同样达到效果。
S2，将模具里面的垫片移除，在模具中依据排叠设计将碳纤维预浸布和碳纱(角度纱、零度纱)一层层贴合于模具上，其中排叠厚度设计规则如图2所示；贴合方式为最外层即贴合模具的层贴合碳纤维预浸布、然后角度纱、零度纱交错贴合；当碳纱铺设完全后根据实际安装要求将预埋块置入碳纱中打孔并锁死。优选的，预埋块为金属材质的预埋块或耐高温工程塑料材质的预埋块。更优选的，金属材质为铝、铁、铜或不锈钢。
S3，将第一步获得的预制芯材重新埋入第二步的模具中反包碳纱，再盖上碳纤维预浸布，然后盖上模盖将模具锁紧置入成型台120-150℃加热成型0.5-3h。
S4，将模具置于冷却台上冷却至室温(冷却台温度设置为20℃)，松开模具螺丝打开模具取出纤维制品即为辐射梁，或撑腿或横向支板或棒状或方形管材。所制备得到的辐射梁，或撑腿或横向支板或棒状或方形管材表面光滑平整，没有鼓包，缺胶等情况。
实施例1：辐射梁，或撑腿或横向支板或棒状或方形管材的制备
第一步，根据制品成品不同部位的厚度要求设计相应厚度(比如3mm、7mm、9mm，如图1所示)和形状的垫片，沿着模具型腔设置垫片，将垫片置入模具中，随后根据发泡体积填充发泡材料并合紧模具，根据型腔大小放置发泡材料，保证加热后充满型腔，还能保证表面光滑，也就是膨胀用力均匀。120-150℃(温度与发泡型材的要求一致)加热10-30min，芯材膨胀充满整个模腔，冷却脱模获得预制芯材；
其中垫片为铜板；垫片的形状和制品模具型腔一致，目的是为了预留包纱的厚度空间即制品的壁厚。发泡材料选择豪尔的HR-313-8，其性能要求满足：120-150℃加热10-30min，加热膨胀后的密度约为0.04-0.08g/cm3。
第二步，将模具里面的垫片移除，在模具中依据排叠设计将碳纤维预浸布和碳纱(角度纱、零度纱)一层层贴合于模具上，其中排叠厚度设计规则如图2所示；贴合方式为最外层即贴合模具的层贴合碳纤维预浸布、然后角度纱、零度纱交错贴合；当碳纱铺设完全后根据实际安装要求将预埋块(铝的预埋块)置入碳纱中打孔并锁死。
第三步，将第一步获得的预制芯材重新埋入第二步的模具中反包碳纱，再盖上碳纤维预浸布，然后盖上模盖将模具锁紧置入成型台150℃加热成型0.5小时。
第四步，将模具置于冷却台上冷却至室温(冷却台温度设置为20℃)，松开模具螺丝打开模具取出纤维制品即为雷达辐射梁或撑腿或横向支架。所制备得到的雷达辐射梁或撑腿或横向支架表面光滑平整，没有鼓包，缺胶等情况。
制备了80个制品，79个合格为优良品。良品率为98.75％。
其中垫片的铜板替换成铁板或铝板或钛板，或各种金属相应的合金板或不锈钢；可以得到一样的结果。
铝的预埋块替换成铁或铜或不锈钢的预埋块；可以得到一样的结果。
实施例2：辐射梁，或撑腿或横向支板或棒状或方形管材的制备
第一步，根据制品成品不同部位的厚度要求设计相应厚度(比如3mm、7mm、9mm，如图1所示)和形状的垫片，沿着模具型腔设置垫片，将垫片置入模具中，随后根据发泡体积填充发泡材料并合紧模具，根据型腔大小放置发泡材料，保证加热后充满型腔，还能保证表面光滑，也就是膨胀用力均匀。120℃加热30min，芯材膨胀充满整个模腔，冷却脱模获得预制芯材；
其中垫片是导热塑料板；垫片的形状和制品模具型腔一致，目的是为了预留包纱的厚度空间即制品的壁厚。发泡材料选择豪尔的HR-330，其性能要求满足：120-150℃加热10-30min，加热膨胀后的密度约为0.04-0.08g/cm3。
第二步，将模具里面的垫片移除，在模具中依据排叠设计将碳纤维预浸布和碳纱(角度纱、零度纱)一层层贴合于模具上，其中排叠厚度设计规则如图2所示；贴合方式为最外层即贴合模具的层贴合碳纤维预浸布、然后角度纱、零度纱交错贴合；当碳纱铺设完全后根据实际安装要求将预埋块置入碳纱中打孔并锁死。优选的，预埋块为耐高温工程塑料材质(PEEK聚醚醚酮)的预埋块。
第三步，将第一步获得的预制芯材重新埋入第二步的模具中反包碳纱，再盖上碳纤维预浸布，然后盖上模盖将模具锁紧置入成型台120℃加热成型1.5小时。
第四步，将模具置于冷却台上冷却至室温(冷却台温度设置为20℃)，松开模具螺丝打开模具取出纤维制品即为雷达辐射梁或撑腿或横向支架。所制备得到的雷达辐射梁或撑腿或横向支架表面光滑平整，没有鼓包，缺胶等情况。
制备了69个制品，69个合格为优良品。良品率为100％。
实施例3：辐射梁，或撑腿或横向支板或棒状或方形管材的制备
第一步，根据制品成品不同部位的厚度要求设计相应厚度(比如3mm、7mm、9mm，如图1所示)和形状的垫片，沿着模具型腔设置垫片，将垫片置入模具中，随后根据发泡体积填充发泡材料并合紧模具，根据型腔大小放置发泡材料，保证加热后充满型腔，还能保证表面光滑，也就是膨胀用力均匀。120-150℃(温度与发泡型材的要求一致)加热10-30min，芯材膨胀充满整个模腔，冷却脱模获得预制芯材；
其中垫片是铁板；垫片的形状和制品模具型腔一致，目的是为了预留包纱的厚度空间即制品的壁厚。发泡材料选择豪尔的HR-313-8，其性能要求满足：120-150℃加热10-30min，加热膨胀后的密度约为0.05-0.06g/cm3。
第二步，将模具里面的垫片移除，在模具中依据排叠设计将碳纤维预浸布和碳纱(角度纱、零度纱)一层层贴合于模具上，其中排叠厚度设计规则如图2所示；贴合方式为最外层即贴合模具的层贴合碳纤维预浸布、然后角度纱、零度纱交错贴合；当碳纱铺设完全后根据实际安装要求将铁的预埋块置入碳纱中打孔并锁死。
第三步，将第一步获得的预制芯材重新埋入第二步的模具中反包碳纱，再盖上碳纤维预浸布，然后盖上模盖将模具锁紧置入成型台130℃加热成型3小时。
第四步，将模具置于冷却台上冷却至室温(冷却台温度设置为20℃)，松开模具螺丝打开模具取出纤维制品即为雷达辐射梁或撑腿或横向支架。所制备得到的雷达辐射梁或撑腿或横向支架表面光滑平整，没有鼓包，缺胶等情况。
制备了60个制品，60个合格为优良品。良品率为100％。
其中垫片的铁板替换成铜板或铝板或相应合金板或导热塑料板；可以得到一样的结果。
铁的预埋块替换成铝或铜或不锈钢或耐高温工程塑料材质(PEEK聚醚醚酮)的预埋块；可以得到一样的结果。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种碳纤维复合材料支架的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，根据制品成品不同部位的厚度要求设计相应厚度和形状的垫片，沿着模具型腔设置垫片，将垫片置入模具中，随后根据发泡体积填充发泡芯材并合紧模具，根据型腔大小放置发泡芯材，加热后使发泡芯材膨胀充满整个模腔并表面光滑，冷却脱模获得预制芯材；
S2，将模具里面的垫片移除，在模具中依据排叠设计将碳纤维预浸布和碳纱一层层贴合于模具上，其中碳纤维预浸布与模具贴合，所述碳纱为角度纱和零度纱交错贴合；当碳纱铺设完全后根据实际安装要求将预埋块置入碳纱中打孔并锁死；
S3，将第一步获得的预制芯材重新埋入第二步的模具中反包碳纱，再盖上碳纤维预浸布，然后盖上模盖将模具锁紧置入成型台120-150℃加热成型0.5-3h。
S4，将模具置于冷却台上冷却至室温，打开模具取出纤维制品即为碳纤维支架。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1步骤中的垫片是具有导热功能的垫片，优选矽胶板或金属板或耐130度以上的工程塑料板；更优选的，金属板的材质为纯金属或合金的材质；最优选的，纯金属为铝、铁、铜或钛；合金为铝合金、铁合金、铜合金、钛合金或不锈钢。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1步骤中的发泡芯材的性能要求为120-150℃加热10-30min，加热膨胀后的密度为0.01-0.1g/cm3；优选的，发泡芯材为HR-313-8；HR-330发泡材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2步骤中的预埋块为金属材质的预埋块或耐高温工程塑料材质的预埋块。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述金属材质为纯金属或合金的材质；优选的，纯金属为铝、铁、铜或钛；合金为铝合金、铁合金、铜合金、钛合金或不锈钢。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料支架是辐射梁，或撑腿或横向支板或棒状或方形管材。
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