一种陶瓷基复合材料网格加筋构件成型模具及其制备方法

摘要

本发明是一种陶瓷基复合材料网格加筋构件成型模具及其制备方法，该模具包括阴模、阳模、蒙皮成型滑块、筋板成型压条、筋板成型滑块，通过本发明技术方案保证了成型过程中能够为预浸料提供均匀、充分的成形压力；成型过程中预浸料沿筋板厚度方向可以实现较大收缩；保证构件在成型过程中各处受压均匀，避免构件出现成型缺陷，避免成型过程中由于模具对预浸料产生剪切而造成对加筋结构处纤维的破坏，实现了构件整体成型，同时通过分行成型保证了网格筋板的成型位置及厚度，在保证构件尺寸的同时有效提高了该类构件的成型质量。

说明书

技术领域

本发明是一种陶瓷基复合材料网格加筋构件成型模具及其制备方法，属于复合材料成型制造技术领域。

技术背景

陶瓷基复合材料由于其高温耐氧化、低密度等特点在航空航天等领域具有重要应用，已成为国内外相关研究单位最为关注的热门材料之一，其材料研发、构件成型及工业化应用中关键技术的突破都会对航空航天及相关应用领域的发展产生重大影响。目前，美国GE公司已建立较为成熟的生产线并实现陶瓷基复合材料构件的批量化生产，较大程度地推动了陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用。现阶段陶瓷基复合材料在航空发动机的热端部件如高压和低压涡轮盘及叶片、燃烧室、加力燃烧室、火焰稳定器和排气喷管等部件具有重要的应用。随着陶瓷基复合材料应用范围的逐渐推广，涉及构件的种类逐渐增加，形状日趋复杂，结合陶瓷基复合材料成型工艺特点，复杂结构成型的难题日益突出。

陶瓷基复合材料加筋构件是其较为常见的构件形状，相比于单筋或双筋结构，网格加筋构件在筋板数量上具有明显增加，同时由于筋板之间的位置约束，其整体成型难度较大。现阶段树脂基复合材料加筋壁板结构的成型方法多采用热压罐成型，但由于陶瓷基复合材料所采用纤维及料浆特点，采用热压罐成型时对构件近净成形具有一定程度的影响，同时陶瓷基复合材料成型压力较高，对热压罐成型压力要求较高，由此引起对设备综合性能的要求大幅度增加。目前，国内关于采用预浸料成型构件的研究中，陶瓷基复合材料预浸料成型构件的应用规模相对较小，这种加筋构件成型方法的报道较少；国外制备陶瓷基复合材料典型件的结构较为简单，较少有加筋构件，因此采用碳化硅纤维预浸料成型陶瓷基复合材料加筋构件预制体的研究鲜有报道。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术成型陶瓷基复合材料网格加筋构件的成型难题而设计提供了一种陶瓷基复合材料网格加筋构件成型模具及其制备方法，其目的是实现陶瓷基复合材料网格加筋构件的整体成型，以提高陶瓷基复合材料网格加筋构件的成型质量。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明技术方案提供了一种陶瓷基复合材料网格加筋构件成型模具，其中所述网格加筋构件1构件底部为正方形或长方形的平面底座11，平面底座11四周为蒙皮12围绕形成的四边，蒙皮12四边内部被正交分布的筋板13分割成网格单元，网格单元内的空间形成一个网格单元体14，筋板13的高度与蒙皮12平齐，其特征在于：该模具包括：

阴模2，阴模2是在金属坯料上根据网格加筋构件1的平面底座11和蒙皮12的尺寸加工一个阴模凹槽21，阴模凹槽21的四周为挡边22，挡边22分别对应于平面底座11的四边，每个挡边22的长度大于所对应的平面底座11的边长，其长度差等于蒙皮成型滑块3自身厚度的两倍；

蒙皮成型滑块3，蒙皮成型滑块3为长方形金属块，在长方形金属块一条长边的顶端、沿长边方向的一侧加工一个受压斜面Ⅰ31，蒙皮成型滑块3的数量为四个，分别对应于阴模凹槽21四周的挡边22，每个蒙皮成型滑块3的长度小于所对应挡边22的长度，其长度差等于蒙皮成型滑块3的自身厚度；

筋板成型压条4为长方形金属块，筋板成型压条4的数量为四个，分别对应于阴模凹槽21四周的挡边22，筋板成型压条4的长度与对应的网格加筋构件1构件底部的平面底座11的边长相等；

筋板成型滑块5，筋板成型滑块5的数量与筋板13分割成的网格单元的数量一致并一一对应，筋板成型滑块5的下部与筋板13分割成的网格单元体14的形状一致，筋板成型滑块5的上部高出筋板13的上缘，筋板成型滑块5的上部的相邻的两个侧面加工成受压斜面Ⅱ51；

阳模6，阳模6是在金属坯料上加工与筋板13分割成的网格单元体14的数量、位置、形状相对应一致的阳模凹槽61，每一个阳模凹槽61内相邻的两个侧面加工成施压斜面Ⅰ62与相对应的筋板成型滑块5上的受压斜面Ⅱ51相配合，在阳模6的金属坯料的周边加工有四条与蒙皮成型滑块3对应的阳模边槽63位于阳模凹槽61的外侧，每一个阳模边槽63内一个侧面加工成施压斜面Ⅱ64与相对应的蒙皮成型滑块3上的受压斜面Ⅰ31相配合。

进一步，筋板成型滑块5的上部高出筋板13的上缘的高度为网格加筋构件1高度的1.5～3倍。

进一步，阳模6的阳模边槽63中的施压斜面Ⅱ64与蒙皮成型滑块3的受压斜面Ⅰ31的配合面与水平方向的夹角为20°～70°。

进一步，阳模凹槽61的施压斜面Ⅰ62与筋板成型滑块5上的受压斜面Ⅱ51的配合面与水平方向的夹角为20°～70°。

进一步，阳模6中相对的阳模凹槽61沿阳模6的中心线对称。

本发明技术方案还提供了一种采用所述成型模具制备陶瓷基复合材料网格加筋构件的方法，该方法的步骤如下：

步骤一、在挡边22内侧面安装第一个蒙皮成型滑块301，安装时第一个蒙皮成型滑块301的受压斜面Ⅰ31面向外侧；

步骤二、在第一个蒙皮成型滑块301内侧面，安装第一个筋板成型压条401；

步骤三、以垂直第一个筋板成型压条401内侧面方向为筋板成型滑块5的安装方向，选取与该方向上网格单元数量相同数量的筋板成型滑块5，分别在筋板成型滑块5下部的五个平面上铺贴预浸料，沿上述方向排列筋板成型滑块5，完成第一行筋板成型滑块5的安装；

步骤四、重复步骤三，完成与第一行筋板成型滑块5并排的其它行筋板成型滑块5的安装；

步骤五、在排列完成的筋板成型滑块5行的另一端安装第二个筋板成型压条402；

步骤六、在第二个筋板成型压条402的外侧安装第二个蒙皮成型滑块302；

步骤七、在筋板成型滑块5行垂直方向的下面安装第三个筋板成型压条403和第三个蒙皮成型滑块303；

步骤八、在筋板成型滑块5行垂直方向的上面安装第四个筋板成型压条404和第四个蒙皮成型滑块304；

步骤九、安装阳模6，使阳模6的阳模边槽63中的施压斜面Ⅱ64与蒙皮成型滑块3的受压斜面Ⅰ31相配合，阳模凹槽61的施压斜面Ⅰ62与筋板成型滑块5上的受压斜面Ⅱ51相配合，完成合模，移至热压机完成筋板固化；

步骤十、固化结束后，拆模取出四个蒙皮成型滑块301-304、取出四个筋板成型压条401-404，得到网格筋板坯件；

步骤十一、在网格筋板坯件外侧四周涂抹或铺贴胶粘剂并铺贴蒙皮61的成型预浸料；

步骤十二、在蒙皮61的成型预浸料外侧安装四个蒙皮成型滑块301-304；

步骤十三、安装阳模6，使阳模6的阳模边槽63中的施压斜面Ⅱ64与蒙皮成型滑块3的受压斜面Ⅰ31相配合，阳模凹槽61的施压斜面Ⅰ62与筋板成型滑块5上的受压斜面Ⅱ51相配合，完成合模，移至热压机完成网格加筋构件1的整体固化。

进一步，所述预浸料为碳化硅纤维预浸料、碳纤维预浸料或氧化物预浸料。

进一步，筋板成型滑块5行中每一行的筋板成型滑块5的高度从开始端依次降低以实现同一行网格筋板依次压实定型。

进一步，筋板成型滑块5行沿阴模2的中心线呈对称结构，所述阴模2的中心线与筋板成型滑块5行的安装方向平行。

进一步，所述胶粘剂包括树脂体系料浆或树脂体系胶膜。

本发明技术方案的优点和特点如下：

1.本发明通过筋板成型滑块5分行成型网格加筋构件，采用对称式共固化成型顺序，在保证每个筋板成型质量及筋板成型位置的同时有效提高了成型效率；

2.本发明网格加筋构件共固化成型过程中，采用根据筋板成型效果选择性引入共固化体系，所用体系与预浸料体系相同或高温处理后完全移除，不引入新体系，不影响网格加筋构件成型过程中的位置及壁板厚度，保证加筋构件中筋板成型位置，有利于后续多孔体制备及陶瓷基复合材料构件制备的工艺性能；

3.本发明同一行筋板成型筋板成型滑块5高度梯度变化，保证每个筋板依次受压，有效保证各个筋板的成型位置。

4.本发明通过网格加筋构件的模具设计，实现网格加筋结构的整体近净成形，有助于提高陶瓷基复合材料网格加筋构件的成型质量，对进一步提高陶瓷基复合材料构件成型效率、实现陶瓷基复合材料构件近净成形，减少其后续加工量，降低加工难度及成本，提高其工业应用中的长时使用寿命等具有重要的意义。

附图说明

图1为网格加筋构件示意图

图2为本发明所述模具中阴模结构示意图

图3为本发明所述模具中蒙皮成型滑块的结构示意图

图4为本发明所述模具中筋板成型压条的结构示意图

图5为本发明所述模具中筋板成型滑块的结构示意图

图6为本发明所述模具中阳模的结构示意图

图7为网格加筋构件A、B行筋板铺层及成型模具安装示意图，其中，左侧图为A/B区铺层示意图，右侧图为A/B区成型模具组装示意图

图8为网格加筋构件C、D行筋板铺层成型模具安装示意图，其中，左侧图为C/D区铺层示意图，右侧图为C/D区成型模具组装示意图

图9为网格加筋构件蒙皮铺层及成型模具安装示意图

具体实施方式

以下将结合附图和具体实例说明陶瓷基复合材料网格加筋构件共固化成型的模具设计及成型方法。

本实施例中，所述网格加筋构件1构件底部为正方形平面底座11，平面底座11四周为蒙皮12围绕形成的四边，蒙皮12四边内部被正交分布的筋板13分割成4×4的网格单元，网格单元内的空间形成一个网格单元体14，筋板13的高度与蒙皮12平齐，针对该种陶瓷基复合材料网格加筋构件的成型模具包括：

阴模2，阴模2是在金属坯料上根据网格加筋构件1的平面底座11和蒙皮12的尺寸加工一个阴模凹槽21，阴模凹槽21的挡边22四周为挡边22，挡边22分别对应于平面底座11的四边，每个挡边22的长度大于所对应的平面底座11的边长，其长度差等于蒙皮成型滑块3的自身厚度两倍；

蒙皮成型滑块3，蒙皮成型滑块3为长方形金属块，在长方形金属块一条长边的顶端、沿长边方向的一侧加工一个受压斜面Ⅰ31，加工斜面角度为45°，蒙皮成型滑块3的数量为四个，分别对应于阴模凹槽21四周的挡边22，每个蒙皮成型滑块3的长度小于所对应挡边22的长度，其长度差等于蒙皮成型滑块3的自身厚度；

筋板成型压条4为长方形金属块，筋板成型压条4的数量为四个，分别对应于阴模凹槽21四周的挡边22，筋板成型压条4的长度与对应的网格加筋构件1构件底部的平面底座11的边长相等；

筋板成型滑块5，筋板成型滑块5的数量为十六个，筋板成型滑块5的下部与筋板13分割成的网格单元体14的形状一致，筋板成型滑块5的上部高出网格加筋构件1高度的一倍，筋板成型滑块5的上部的相邻的两个侧面加工成受压斜面Ⅱ51，斜面角度为45°，筋板成型滑块5行中每一行的筋板成型滑块5的高度从开始端依次降低且高度差为5mm，以实现同一行网格筋板依次压实定型；

阳模6，阳模6是在金属坯料上加工十六个与网格单元体14的位置、形状相对应的阳模凹槽61，每一个阳模凹槽61内相邻的两个侧面加工成施压斜面Ⅰ62与相对应的筋板成型滑块5上的受压斜面Ⅱ51相配合，加工斜面角度为45°，在阳模6的金属坯料的周边加工有四条与蒙皮成型滑块3对应的阳模边槽63位于阳模凹槽61的外侧，每一个阳模边槽63内一个侧面加工成施压斜面Ⅱ64与相对应的蒙皮成型滑块3上的受压斜面Ⅰ31相配合，加工斜面角度为45°。

采用上述成型模具制备陶瓷基复合材料网格加筋构件的方法的步骤如下：

步骤一、在挡边22内侧面安装第一个蒙皮成型滑块301，安装时第一个蒙皮成型滑块301的受压斜面Ⅰ31面向外侧；

步骤二、在第一个蒙皮成型滑块301内侧面，安装第一个筋板成型压条401；

步骤三、以垂直第一个筋板成型压条401内侧面方向为筋板成型滑块5的安装方向，选取8个筋板成型滑块5A1-5A4及5B1-5B4，裁剪碳化硅纤维预浸料，在筋板成型滑块5A1-5A4及5B1-5B4下部的五个平面上铺贴预浸料，沿上述方向排列筋板成型滑块成两行，分别为A行和B行5A1-5A4及5B1-5B4，完成A、B行筋板成型滑块的安装；

步骤四、在排列完成的两行筋板成型滑块5A4及5B4的末端安装第二个筋板成型压条402，在第二个筋板成型压条402的外侧安装第二个蒙皮成型滑块302；

步骤五、在两行筋板成型滑块5A1-5A4以及5B1-5B4垂直方向的下面及上面安装第三、四个筋板成型压条403及404，在第三、四个筋板成型压条403及404外侧分别安装一行筋板成型滑块，共8个筋板成型滑块，分别为C行和D行5C1-5C4及5D1-5D4；

步骤六、安装阳模6，使阳模6的阳模边槽63中的施压斜面Ⅱ64与蒙皮成型滑块3的受压斜面Ⅰ31相配合，阳模凹槽61的施压斜面Ⅰ62与筋板成型滑块5上的受压斜面Ⅱ51相配合，完成合模；

步骤七、合模后，将模具移至热压机完成A行及B行部分筋板固化。设置压机升温速率为2℃/min，升温至300℃，压力设置为5Mpa，保压2h；

步骤八、第一次固化结束后，拆开模具，取出C行、D行筋板成型滑块5C1-5C4及5D1-5D4及第三、四个筋板成型压条403及404，并取出第二个筋板成型压条402及第二个蒙皮成型滑块302；；

步骤九、裁剪碳化硅纤维预浸料，在8个筋板成型滑块下部的五个平面上铺贴预浸料，沿上述方向重新排列安装C行、D行的筋板成型滑块；

步骤十、在排列完成的C行、D行的筋板成型滑块5C4及5D4的末端安装第二个筋板成型压条402，在第二个筋板成型压条402的外侧安装第二个蒙皮成型滑块302；

步骤十一、在C行筋板成型滑块垂直方向的下面安装第三个筋板成型压条403和第三个蒙皮成型滑块303，在D行筋板成型滑块垂直方向的上面安装第四个筋板成型压条404和第四个蒙皮成型滑块304；

步骤十二、安装阳模6，使阳模6的阳模边槽63中的施压斜面Ⅱ64与蒙皮成型滑块3的受压斜面Ⅰ31相配合，阳模凹槽61的施压斜面Ⅰ62与筋板成型滑块5上的受压斜面Ⅱ51相配合，完成合模，移至热压机完成筋板固化；

步骤十三、模后，将模具移至热压机完成C行及D行筋板固化。设置压机升温速率为2℃/min，升温至300℃，压力设置为5Mpa，保压2h；

步骤十四、固化结束后，拆模取出四个蒙皮成型滑块301-304、取出四个筋板成型压条401-404，得到网格筋板坯件；

步骤十五、在网格筋板坯件外侧四周涂抹树脂体系料浆并铺贴蒙皮61的成型预浸料；

步骤十六、在蒙皮61的成型预浸料外侧安装四个蒙皮成型滑块301-304；

步骤十七、安装阳模6，使阳模6的阳模边槽63中的施压斜面Ⅱ64与蒙皮成型滑块3的受压斜面Ⅰ31相配合，阳模凹槽61的施压斜面Ⅰ62与筋板成型滑块5上的受压斜面Ⅱ51相配合，完成合模；

步骤十八、合模后，将模具移至热压机完成网格加筋结构构件的整体固化。设置压机升温速率为2℃/min，升温至300℃，压力设置为10Mpa，保压5h；

步骤十九、固化结束后，拆出得到网格加筋构件预制体，放入碳化炉碳化，碳化炉升温速率设置为5℃/min，升温至1400℃保温2h得到多孔体构件；

步骤二十、将多孔体构件放入熔渗炉，熔渗炉温度设置为10℃/min，升温至1600℃保温1h，熔融渗硅，制备致密的陶瓷基复合材料网格加筋构件，构件密度达2.72g/cm3，孔隙率低于4％。

通过本发明技术方案保证了成型过程中能够为预浸料提供均匀、充分的成形压力；成型过程中预浸料沿筋板厚度方向可以实现较大收缩；保证构件在成型过程中各处受压均匀，避免构件出现成型缺陷，避免成型过程中由于模具对预浸料产生剪切而造成对加筋结构处纤维的破坏，实现了构件整体成型，同时通过分行成型保证了网格筋板的成型位置及厚度，在保证构件尺寸的同时有效提高了该类构件的成型质量。