碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型模具及成型方法

摘要

本发明涉及一种碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型模具及成型方法。本发明所述的碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型模具，其由内层至外层依次为主体模、分瓣网格阳模、阴模；两个端框压环分别设置在主体模和分瓣网格阳模组合体的上方及下方。该模具可多次重复使用，成型产品的网格加强筋具有较高的尺寸精度和位置精度，产品质量一致性好。本发明所述的碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型方法，其整体共固化成型有利于保证复合材料网格结构制品的整体性能和质量的一致性，使结构具有良好的刚性和承载能力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料网格结构件成型模具及成型方法，具体涉及一种碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型模具及成型方法。

背景技术

随着航天事业的发展，尤其是航天材料工艺水平的不断提高，复合材料网格结构得到愈来愈广泛的应用。单向复合材料交叉制成的网格结构可以充分发挥复合材料的优越性，设计和制造工艺的不断完善可望尽快降低制造成本，有广阔的发展前景和巨大的潜能。最为常见的成型网格的模具方法主要是以下三种：一是软模成型，该方法美国空军飞力普实验室(USAF PhillipsLaboratory)处于技术领先地位，并用于生产太阳能极板、整流罩和导弹适配器。但是软模成型的方法也有其缺点，产品表面光洁度差，筋条尺寸不稳定，产品固化后需要将软模劈开，成本较高，同时对于筋条的高度/宽度比较大的结构将难以脱模。另一种网格成型方法是采用硬质泡沫塑料开沟槽的模具方案。与软模法相似，纤维束和树脂进入泡沫沟槽从而形成网格结构。泡沫可以留在复合材料结构中，起到保温隔音的作用，也可以通过机械、化学或热破坏等方法除掉。这种方法的主要缺点在于，网格节点纤维体积含量最高为60％，因而导致筋条非节点部位纤维含量为节点处的50％，纤维体积含量仅为30％。在这种纤维体积含量下，网格结构的性能远低于铺层成型复合材料结构。另一种方法是硬模法，如金属模。其缺点在于纤维体积含量低，筋条高度不能过高，劳动强度大等。但优点也十分明显，即产品的尺寸稳定性好，精度高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型模具，该模具可多次重复使用，成型产品的网格加强筋具有较高的尺寸精度和位置精度，产品质量一致性好；本发明还提供一种碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型方法，其整体共固化成型有利于保证复合材料网格结构制品的整体性能和质量的一致性，使结构具有良好的刚性和承载能力。

本发明所述的碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型模具，其由内层至外层依次为主体模、分瓣网格阳模、阴模；两个端框压环分别设置在主体模和分瓣网格阳模组合体的上方及下方；所述的主体模为钢材料制成；所述的分瓣网格阳模、阴模均为铝合金材料制成；所述的分瓣网格阳模在纵向及环向分成若干瓣。

如上所述的一种碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型模具，其所述的分瓣网格阳模在纵向网格加强筋两端部处设有扩展槽；所述的分瓣网格阳模在网格节点中心处划窝，并在网格节点的四个角处设有倒角；所述的划窝直径Φ约为网格加强筋宽度，划窝深度在1.5mm～2mm；所述的倒角的半径R采用如下公式计算：

$R\approx \sqrt{\frac{a\times b}{4-\pi }}$

公式中R为倒角的半径；

      a为纵向加强筋宽度；

      b为环向加强筋宽度；

本发明所述的碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型模具，其由内层至外层依次为主体模、硅橡胶网格阳模、阴模；两个端框压环分别设置在主体模和硅橡胶网格阳模的组合体上方及下方；所述的主体模为钢材料制成；所述的硅橡胶网格模是由硅橡胶材料制成；所述的阴模为铝合金材料制成。

如上所述的一种碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型模具，其所述的硅橡胶网格阳模在纵向网格加强筋两端部处设有扩展槽；所述的硅橡胶网格阳模在网格节点的四个角处设有倒角；所述的倒角的半径R采用如下公式计算：

$R\approx \sqrt{\frac{a\times b}{4-\pi }}$

公式中R为倒角的半径；

      a为纵向加强筋宽度；

      b为环向加强筋宽度；

本发明所述的碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型方法，其按如下步骤依次进行：

(1)首先将分瓣网格阳模固定到主体模上，然后在主体模上安装法兰；

(2)将步骤(1)所得模具放置在缠绕机上，向模具外层的分瓣网格阳模(2)的网格加强筋处缠绕碳纤维预浸丝；缠绕时取一根或几根碳纤维预浸丝，先依次缠绕各纵向网格加强筋，然后再缠绕各环向网格加强筋，以此为一个缠绕循环，如此循环，直至分瓣网格阳模的网格加强筋缠绕完毕；

(3)对步骤(2)所得缠绕完碳纤维预浸丝的模具进行若干次吸胶压实处理，所述的吸胶压实处理采用下述方法中的任意一种或两种均采用；

所述的一种吸胶压实处理方法为，将预先浇铸好的硅橡胶网格嵌入步骤(2)缠绕完碳纤维预浸丝的分瓣网格阳模的各网格加强筋中，用真空袋将模具密封，抽真空，温度在40～70℃，压力在0.2～0.6Mpa，从而利用硅橡胶对各网格加强筋传递压力，实现将各网格加强筋处的多余的树脂及挥发份排出，并压实碳纤维预浸丝；

所述的另一种吸胶压实处理方法为，用真空袋将步骤(2)所得模具密封，抽真空，温度在40～70℃，压力在0.2～0.6Mpa，从而利用硅橡胶对各网格加强筋传递压力，实现将各网格加强筋处的多余的树脂及挥发份排出，并压实碳纤维预浸丝；

(4)向步骤(3)所得经吸胶压实处理后的模具表面铺蒙皮，环向蒙皮采用碳纤维预浸丝缠绕，其余位置蒙皮采用碳纤维无纬布铺层；然后在模具的上方及下方安装端框压环；

(5)对步骤(4)所得铺完蒙皮后的模具进行若干次吸胶处理，吸胶处理时将模具用真空袋包封，抽真空，温度在40～70℃，压力在0.2～0.6Mpa，以排除多余的树脂及挥发份；

(6)向步骤(5)所得模具外安装阴模，模具下方的端框压环下安装底座；然后将模具在温度为100—180℃，压力为0.3～3.0MPa进行固化；

(7)对步骤(6)所得固化后的模具，先依次拆掉阴模、底座、两个端框压环；再将主体模向上拔出，分瓣网格阳模向内部拔出，最后得到纤维增强树脂基复合材料网格结构件。

如上所述的碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型方法，其所述的碳纤维预浸丝缠绕根数采用如下公式进行计算：

n＝S×ρ×m_f/ρ_f

公式中，n为碳纤维预浸丝根数；

        S为网格加强筋截面积；

        ρ为碳纤维增强树脂基复合材料的密度；

        m_f为碳纤维增强树脂基复合材料中碳纤维重量百分含量；

        ρ_f为碳纤维预浸丝线密度。

如上所述的碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型方法，其在步骤(2)所述的缠绕各纵向网格加强筋时，当缠绕至纵向网格加强筋两端部的扩展槽处，碳纤维预浸丝向两侧均匀散开、连续延伸至端框表面；在步骤(4)所述的在纵向网格加强筋端部处铺蒙皮时，碳纤维无纬布为变厚度铺层，从而在网格加强筋、蒙皮、端框之间形成一个过渡区。

本发明所述的碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型方法，其按如下步骤依次进行：

(1)首先将硅橡胶网格模固定到主体模上，然后在主体模上安装法兰；

(2)将步骤(1)所得模具放置在缠绕机上，向模具外层的硅橡胶网格模的网格加强筋处缠绕碳纤维预浸丝；缠绕时取一根或几根碳纤维预浸丝，先依次缠绕各纵向网格加强筋，然后再缠绕各环向网格加强筋，以此为一个缠绕循环，如此循环，直至硅橡胶网格模的网格加强筋缠绕完毕；

(3)向步骤(2)所得缠绕完碳纤维预浸丝的模具表面铺蒙皮，环向蒙皮采用碳纤维预浸丝缠绕，其余位置蒙皮采用碳纤维无纬布铺层；然后在模具的上方及下方安装端框压环；

(4)对步骤(3)所得铺完蒙皮后的模具进行若干次吸胶处理，吸胶处理时将模具用真空袋包封，抽真空，温度在40～70℃，压力在0.2～0.6Mpa，以排除多余的树脂及挥发份；

(5)向步骤(4)所得模具外安装阴模，模具下方的端框压环下安装底座；然后将模具在温度为100—180℃，压力为0.3～3.0MPa进行固化；

(6)对步骤(5)所得固化后的模具，先依次拆掉阴模、底座、两个端框压环；再将主体模向上拔出，硅橡胶网格模向内部拔出，最后得到纤维增强树脂基复合材料网格结构件。

如上所述的碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型方法，其所述的碳纤维预浸丝缠绕根数采用如下公式进行计算：

n＝S×ρ×m_f/ρ_f

公式中，n为碳纤维预浸丝根数；

        S为网格加强筋截面积；

        ρ为碳纤维增强树脂基复合材料的密度；

        m_f为碳纤维增强树脂基复合材料中碳纤维重量百分含量；

        ρ_f为碳纤维预浸丝线密度。

如上所述的碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型方法，其在步骤(2)所述的缠绕各纵向网格加强筋时，当缠绕至纵向网格加强筋两端部的扩展槽处，碳纤维预浸丝向两侧均匀散开、连续延伸至端框表面；在步骤(3)所述的在纵向网格加强筋端部处铺蒙皮时，碳纤维无纬布为变厚度铺层，从而在网格加强筋、蒙皮、端框之间形成一个过渡区。

本发明的效果在于：本发明所述的碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型模具，适用于成型筋条尺寸较大的网格结构，可以有效解决大尺寸加强筋网格结构不易加压和脱模困难的问题。本发明模具可多次重复使用，成型产品的网格加强筋具有较高的尺寸精度和位置精度，产品质量一致性好，利于产品的后期装配。采用的分瓣网格阳模，适用于高性能网格结构产品的成型；其分瓣形式解决了网格结构难于脱模的问题。采用的硅橡胶网格模，利用硅橡胶的柔软、易于变形的特点，有效的解决了对网格加强筋的压力施加和脱模的问题；产品密实度高，不易产生缺陷；适用于三角形网格等复杂的网格结构制品；模具成本相对较低。在网格节点处模具划窝并进行倒角，增加体积，解决了网格加强筋连续交叉的问题。本发明所述的碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型方法，整体共固化成型有利于保证复合材料网格结构制品的整体性能和质量的一致性，使结构具有良好的刚性和承载能力。本发明成型方法可实现对复合材料网格结构制品的加压固化，最终保证在热压固化后的网格加强筋和蒙皮具有一定的纤维体积含量和较低的空隙率，同时保证网格加强筋与蒙皮界面的粘接质量。由于蒙皮和网格加强筋条为缠绕成型，缠绕张力作为预紧力，可以有效地约束硅橡胶对复合材料产生的压力。利用硅橡胶模传递压力吸胶，有效地保证了网格加强筋条的含胶量和密度，确保了复杂网格结构具有较高的纤维体积含量和较低的孔隙率；蒙皮、网格加强筋、端框形成的过渡区变厚度铺层，网格加强筋条在扩展槽处连续延伸，有效解决了网格加强筋、蒙皮、端框的过渡问题，实现了复合材料网格结构产品的整体共固化成型。

附图说明

图1为实施例1所述的碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型模具结构示意图；

图2为图1中I部分端框处放大图；

图3为图1中分瓣网格阳模示剖视图；

图4为图1中分瓣网格阳模局部展开图；

图5为图3中扩展槽放大图；

图6为图3中网格节点放大图；

图7为实施例2所述的碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型模具结构示意图；

图中：1.主体模；2.分瓣网格阳模；3.网格产品；4.端框；5.底座；6.端框压环；7.法兰；8.阴模；9.硅橡胶网格模；10.扩展槽；11.网格节点；12.划窝；13.倒角；14.网格加强筋；15.蒙皮。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明所述的碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型模具，其由内层至外层依次为主体模1、分瓣网格阳模2、阴模8；两个端框压环6分别设置在主体模1和分瓣网格阳模2组合体的上方及下方；所述的主体模1为钢制成；所述的分瓣网格阳模2、阴模8均为铝合金制成。如图3及图4所示，分瓣网格阳模2在纵向及环向分成若干瓣。

如图5所示，分瓣网格阳模2在纵向网格加强筋两端部处设有扩展槽10。

如图6所示，分瓣网格阳模2在网格节点11中心处划窝12，并在网格节点11的四个角处设有倒角13；所述的划窝直径Φ约为网格加强筋宽度，划窝深度在1.5mm～2mm；所述的倒角的半径R采用如下公式计算：

$R\approx \sqrt{\frac{a\times b}{4-\pi }}$

公式中R为倒角的半径；

      a为纵向加强筋宽度；

      b为环向加强筋宽度。

本发明所述的碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型方法，其采用上述模具，按照如下步骤依次进行：

(1)如图1所示，首先将分瓣网格阳模2固定到主体模1上，然后在主体模1上安装法兰7。

(2)将步骤(1)所得模具放置在缠绕机上，向模具外层的分瓣网格阳模2的网格加强筋处缠绕碳纤维预浸丝。

碳纤维预浸丝缠绕根数采用如下公式进行计算：

n＝S×ρ×m_f/ρ_f

公式中，n为碳纤维预浸丝根数；

        S为网格加强筋截面积；

        ρ为碳纤维增强树脂基复合材料的密度；

        m_f为碳纤维增强树脂基复合材料中碳纤维重量百分含量；

        ρ_f为碳纤维预浸丝线密度；

缠绕时取一根或几根碳纤维预浸丝，先依次缠绕各纵向网格加强筋，然后再缠绕各环向网格加强筋，以此为一个缠绕循环，如此循环，直至分瓣网格阳模2的网格加强筋缠绕完毕。如图5所示，在缠绕各纵向网格加强筋时，当缠绕至纵向网格加强筋两端部的扩展槽10处，碳纤维预浸丝向两侧均匀散开、连续延伸至端框表面。

(3)对步骤(2)所得缠绕完碳纤维预浸丝的模具进行若干次吸胶压实处理，所述的吸胶压实处理采用下述方法中的任意一种或两种均采用。

所述的一种吸胶压实处理方法为，将预先浇铸好的硅橡胶网格嵌入步骤(2)缠绕完碳纤维预浸丝的分瓣网格阳模2的各网格加强筋中，用真空袋将模具密封，抽真空，温度在40～70℃，压力在0.2～0.6Mpa，从而利用硅橡胶对各网格加强筋传递压力，实现将各网格加强筋处的多余的树脂及挥发份排出，并压实碳纤维预浸丝；

所述的另一种吸胶压实处理方法为，用真空袋将步骤(2)所得模具密封，抽真空，温度在40～70℃，压力在0.2～0.6Mpa，从而利用硅橡胶对各网格加强筋传递压力，实现将各网格加强筋处的多余的树脂及挥发份排出，并压实碳纤维预浸丝。

(4)向步骤(3)所得经吸胶压实处理后的模具表面铺蒙皮，环向蒙皮采用碳纤维预浸丝缠绕，其余位置蒙皮采用碳纤维无纬布铺层；然后在模具的上方及下方安装端框压环6；如图2所示，在纵向网格加强筋端部处铺蒙皮时，碳纤维无纬布为变厚度铺层，从而在网格加强筋14、蒙皮15、端框4之间形成一个过渡区。

(5)对步骤(4)所得铺完蒙皮后的模具进行若干次吸胶处理，吸胶处理时将模具用真空袋包封，抽真空，温度在40～70℃，压力在0.2～0.6Mpa，以排除多余的树脂及挥发份。

(6)向步骤(5)所得模具外安装阴模8，模具下方的端框压环6下安装底座5；然后将模具在温度为100—180℃，压力为0.3～3.0MPa进行固化。

(7)对步骤(6)所得固化后的模具，先依次拆掉阴模8、底座5、两个端框压环6；再将主体模1向上拔出，分瓣网格阳模2向内部拔出，最后得到纤维增强树脂基复合材料网格结构件。

实施例2

如图7所示，碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型模具，其由内层至外层依次为主体模1、硅橡胶网格阳模9、阴模8；两个端框压环6分别设置在主体模1和硅橡胶网格阳模9的组合体上方及下方；所述的主体模1为钢制成；所述的硅橡胶网格模是由硅橡胶材料制成；所述的阴模8为铝合金制成。

硅橡胶网格阳模9在纵向网格加强筋两端部处设有扩展槽。硅橡胶网格阳模9在网格节点的四个角处设有倒角；所述的倒角的半径R采用如下公式计算：

$R\approx \sqrt{\frac{a\times b}{4-\pi }}$

公式中R为倒角的半径；

      a为纵向加强筋宽度；

      b为环向加强筋宽度；

本发明所述的碳纤维增强树脂基复合材料网格结构件成型方法，其采用上述模具，按如下步骤依次进行：

(1)首先将硅橡胶网格模9固定到主体模1上，然后在主体模1上安装法兰7；

(2)将步骤(1)所得模具放置在缠绕机上，向模具外层的硅橡胶网格模9的网格加强筋处缠绕碳纤维预浸丝。

碳纤维预浸丝缠绕根数采用如下公式进行计算：

n＝S×ρ×m_f/ρ_f

公式中，n为碳纤维预浸丝根数；

        S为网格加强筋截面积；

        ρ为碳纤维增强树脂基复合材料的密度；

        m_f为碳纤维增强树脂基复合材料中碳纤维重量百分含量；

        ρ_f为碳纤维预浸丝线密度；

缠绕时取一根或几根碳纤维预浸丝，先依次缠绕各纵向网格加强筋，然后再缠绕各环向网格加强筋，以此为一个缠绕循环，如此循环，直至硅橡胶网格模9的网格加强筋缠绕完毕；在缠绕各纵向网格加强筋时，当缠绕至纵向网格加强筋两端部的扩展槽处，碳纤维预浸丝向两侧均匀散开、连续延伸至端框表面。

(3)向步骤(2)所得缠绕完碳纤维预浸丝的模具表面铺蒙皮，环向蒙皮采用碳纤维预浸丝缠绕，其余位置蒙皮采用碳纤维无纬布铺层；然后在模具的上方及下方安装端框压环6；在纵向网格加强筋端部处铺蒙皮时，碳纤维无纬布为变厚度铺层，从而在网格加强筋14、蒙皮15、端框4之间形成一个过渡区。

(4)对步骤(3)所得铺完蒙皮后的模具进行若干次吸胶处理，吸胶处理时将模具用真空袋包封，抽真空，温度在40～70℃，压力在0.2～0.6Mpa，以排除多余的树脂及挥发份。

(5)向步骤(4)所得模具外安装阴模8，模具下方的端框压环6下安装底座5；然后将模具在温度为100—180℃，压力为0.3～3.0MPa进行固化。

(6)对步骤(5)所得固化后的模具，先依次拆掉阴模8、底座5、两个端框压环6；再将主体模1向上拔出，硅橡胶网格模9向内部拔出，最后得到纤维增强树脂基复合材料网格结构件。