一种复合材料结构件的成型方法技术

本发明专利技术公开了一种复合材料结构件的成型方法，包括密封制袋、振动处理、微波固化和结构件整体脱模；振动处理是将完成封袋的材料固定在振动支撑座上，并与物料平台同步振动；微波固化利用模具支撑架和支撑轴对硅橡胶模具进行支撑，并用微波对预成型体各表面均匀微波辐射成型；最后利用酸碱腐蚀配合人工拆解将硅橡胶模具从成型后的结构件中取出。本发明专利技术的成型方法通过振动处理结合微波固化复合材料，可实现复合材料结构件的快速、低成本、高性能成型；本发明专利技术突破热压罐成型工艺对制件尺寸的限制，降低制造成本；成型后的结构件力学性能优良、孔隙率低，其性能与质量可达到与热压罐固化后相同的水平。

A forming method of composite structural parts

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料结构件的成型方法
本专利技术涉及复合材料
，特别地，涉及一种复合材料结构件的成型方法。
技术介绍
热压罐工艺是目前用于固化成型航空航天用高性能树脂基复合材料的最常用工艺，利用热压罐内部的高温压缩气体产生压力对复合材料预浸料进行加热、加压以完成固化成型。但是在加热固化时，热量由材料外部向内部传递时，会在材料内部产生温度分布不均，进而使得固化程度不均匀，在材料内部产生较大的内应力，影响制件的成形质量。同时，由于热压罐结构复杂、系统庞大，属于高压压力容器，因此投资建造所需要的费用较高；不仅如此，其生产效率低且能耗巨大，设备制造和运行成本高昂等一些缺点，限制了热压罐成型工艺的发展甚至成为制约复合材料广泛应用的瓶颈。鉴于上述问题，国内外针对复合材料微波固化的设备研发方面开展了大量研究，并取得了一定的成果。例如，专利技术专利201410295387.8中提出了一种微波-压力固化复合材料的温度均匀分布方法，将复合材料置于多边形腔体中，通过微波在腔体内发生多次反射后入射至材料表面和内部，同时使气体压力通过压力容器提供后作用到材料表面。专利技术专利201610030557.9中提出了一种微波加热装置及方法，在微波腔内放置吸波材料，由屏蔽微波区和透过微波区组成的微波局部屏蔽件覆盖在吸波材料外表面，进而针对复合材料制件的局部进行优先加热和固化。申请号为201410780220.0的申请文件中提出了一种成型装置，在微波加热复合材料过程中对复合材料制件的上下表面施加均衡的液体压力，有效压实复合材料制件。专利技术专利201610025303.8中提出了一种复合能场加热装置，包括微波加热装置和热压罐，通过微波加热装置向微波腔内发送微波，通过热压罐提供的高压压实复合材料制件；专利技术专利201410471231.0、201410471234.4和201510109343.6等也公开了使用热压罐与微波结合用于加热固化复合材料的技术。但是用上述技术及装置对复合材料进行加热固化时，并没有降低固化压力对复合材料的影响，甚至还引入了高压场，不仅没有发挥出微波固化工艺节能环保的优势，同时还因为微波-高压场的同时存在增加了工艺的安全隐患。低温推进剂贮箱是航天运载器动力系统和结构系统的关键部件，在经历了铝镁合金阶段、铝铜合金阶段、铝锂合金阶段之后，复合材料凭借在重量和成本方面的巨大优势，大型复合材料低温贮箱已成为世界航天工业的发展趋势。传统的金属材料贮箱是通过将成型后的金属瓜瓣、壁板等结构通过焊接制造完成，而由于热固性复合材料的不可焊接性，此种制造方式已不适用于复合材料贮箱的制造过程。为了解决该问题，以美国宇航局(NASA)为首的多个航天机构提出了复合材料低温推进剂贮箱的整体成型思路。金属模具由于具有高强度，高刚度以及加工性好等优点，是目前复合材料固化成型使用最多的模具。而在复合材料近似封闭形面结构件的成型过程中，由于金属模具其热膨胀系数与复合材料的热膨胀系数高度不匹配，使得最终成型的复合材料制件内部产生严重的残余应力，难以保证结构件的成型精度，且金属组合式模具密度高质量大难以在成型后拆分脱模，故不适用于复合材料贮箱这种近似封闭形面结构件的整体成型。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种复合材料结构件的成型方法，以解决航天领域复合材料结构件(贮箱类)的大尺寸、变曲率、弱刚性等特点带来的成型困难的问题。为实现上述目的，本专利技术提供一种复合材料结构件的成型方法，所述复合材料结构件为包括顶盖通孔和底盖通孔的且由碳纤维树脂复合材料预浸料一体化成型而成的贮箱结构，所述成型方法包括使用一种复合材料结构件的成型模具组，所述成型模具组包括振动处理用模具、微波固化用模具、真空袋和硅橡胶模具；所述硅橡胶模具内设有沿轴向贯通其中心的圆形通孔，所述振动处理用模具包括紧固装置和振动支撑座，所述振动支撑座上表面内凹形成用于容置径向由外而内的真空袋、预浸料和硅橡胶模具的凹槽；所述微波固化用模具包括模具支撑架和支撑轴，所述支撑轴的直径小于等于顶盖通孔和底盖通孔的内切圆直径；所述成型方法包括如下步骤：S1：首先将预浸料按照特定的铺层方式铺放在硅橡胶模具上形成预成型体，然后用真空袋将预浸料和硅橡胶模具密封完成制袋过程；S2：将封袋好的材料移动并放置在振动支撑座的凹槽中，用紧固螺栓B将所述振动支撑座与振动微波复合成型制造系统的物料平台固定在一起，所述振动微波复合成型制造系统能为设置在其物料平台上的物质提供加速度在竖直方向的振动和提供微波辐照，并采用紧固装置将封袋好的材料与所述振动支撑座通过紧固螺栓A连接，以此实现封袋好的材料与物料平台的同步振动，直至完成振动处理过程；S3：振动处理结束后，将封袋好的材料从振动支撑座上移除，并将振动支撑座、紧固装置以及紧固螺栓均从振动微波复合成型制造系统内取出；S4：先将支撑轴插入硅橡胶模具中心的圆形通孔且支撑轴的两端均伸出圆形通孔，所述支撑轴两端分别与模具支撑架连接，并将模具支撑架设置在物料平台上，使得经过振动处理后的封袋好的材料在支撑作用下悬挂在空中；再利用振动微波复合成型制造系统对预成型体各表面均匀微波辐射成型；S5：结构件微波辐射成型后将支撑轴从硅橡胶模具中取出，再利用强酸或强碱对硅橡胶模具腐蚀，且所述腐蚀是从所述圆形通孔处开始的，最终将腐蚀后的硅橡胶模具从成型后得到的结构件中取出，从而实现复合材料结构件的整体成型与脱模。优选的，所述紧固装置包括轴向前后排列的至少两个紧固单件，每个所述紧固单件均具有与结构件的外壁形状相匹配的弧形，每个所述紧固单件的两端均分别通过紧固螺栓A与所述振动支撑座固定连接。优选的，所述紧固装置和振动支撑座均采用金属材料制成，优选Q235结构钢，以确保振动处理用模具可以承受振动处理带来的冲击；所述模具支撑架和支撑轴均采用不会反射微波的非金属材料制成，优选陶瓷类材料，以避免在微波固化过程中对微波场均匀性带来的不利影响。优选的，所述圆形通孔的直径小于等于所述顶盖通孔和底盖通孔的内切圆直径，所述圆形通孔的横截面积在整个硅橡胶模具横截面积最大处的横截面积的占比为0.04-0.08；优选0.05-0.075；更优选0.065。优选的，所述圆形通孔的直径与所述支撑轴的直径保持一致。优选的，所述模具支撑架包括竖向相对设置的两个单元支撑架，两个单元支撑架分别用于支撑所述支撑轴长度方向的两端。相比于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：(1)、本专利技术的成型方法通过振动处理结合微波固化复合材料，可实现复合材料结构件的快速、低成本、高性能成型；本专利技术突破热压罐成型工艺对制件尺寸的限制，降低制造成本；成型后的结构件力学性能优良、孔隙率低，其性能与质量可达到与热压罐固化后相同的水平。(2)、本专利技术的成型方法，进一步扩大了振动微波复合成型制造技术的应用范围，解决了复合材料热压罐成型工艺和微波成型工艺面临的诸多困难，实现了复合材料结构件高效快速、安全环保、高质量高精度的一体化成型，为航天领域具备大尺寸、变曲率、弱刚度、近似封闭形面等特点的复合材料结构件制造提供了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合材料结构件的成型方法，其特征在于，所述复合材料结构件为包括顶盖通孔(3.1)和底盖通孔(3.2)的且由碳纤维树脂复合材料预浸料(3)一体化成型而成的贮箱结构，所述成型方法包括使用一种复合材料结构件的成型模具组，所述成型模具组包括振动处理用模具、微波固化用模具、真空袋(2)和硅橡胶模具(4)；所述硅橡胶模具内设有沿轴向贯通其中心的圆形通孔(4.1)，所述振动处理用模具包括紧固装置(1)和振动支撑座(6)，所述振动支撑座(6)上表面内凹形成用于容置径向由外而内的真空袋(2)、预浸料(3)和硅橡胶模具(4)的凹槽(6.1)；所述微波固化用模具包括模具支撑架(8)和支撑轴(9)，所述支撑轴(9)的直径小于等于顶盖通孔(3.1)和底盖通孔(3.2)的内切圆直径；所述成型方法包括如下步骤：/nS1：首先将预浸料(3)按铺层方式铺放在硅橡胶模具(4)上形成预成型体，然后用真空袋(2)将预浸料(3)和硅橡胶模具(4)密封完成制袋过程；/nS2：将封袋好的材料移动并放置在振动支撑座(6)的凹槽(6.1)中，用紧固螺栓B(10)将所述振动支撑座与振动微波复合成型制造系统的物料平台(7)固定在一起，所述振动微波复合成型制造系统能为设置在其物料平台(7)上的物质提供加速度在竖直方向的振动和提供微波辐照，并采用紧固装置(1)将封袋好的材料与所述振动支撑座通过紧固螺栓A(5)连接，以此实现封袋好的材料与物料平台(7)的同步振动，直至完成振动处理过程；/nS3：振动处理结束后，将封袋好的材料从振动支撑座(6)上移除，并将振动支撑座(6)、紧固装置(1)以及紧固螺栓均从振动微波复合成型制造系统内取出；/nS4：先将支撑轴(9)插入硅橡胶模具(4)中心的圆形通孔(4.1)且支撑轴的两端均伸出圆形通孔(4.1)，所述支撑轴两端分别与模具支撑架(8)连接，并将模具支撑架(8)设置在物料平台(7)上，使得经过振动处理后的封袋好的材料在支撑作用下悬挂在空中；再利用振动微波复合成型制造系统对预成型体各表面均匀微波辐射成型；/nS5：结构件微波辐射成型后将支撑轴从硅橡胶模具中取出，再利用强酸或强碱对硅橡胶模具腐蚀，且所述腐蚀是从所述圆形通孔(4.1)处开始的，最终将腐蚀后的硅橡胶模具从成型后得到的结构件中取出，从而实现复合材料结构件的整体成型与脱模。/n...

【技术特征摘要】
1.一种复合材料结构件的成型方法，其特征在于，所述复合材料结构件为包括顶盖通孔(3.1)和底盖通孔(3.2)的且由碳纤维树脂复合材料预浸料(3)一体化成型而成的贮箱结构，所述成型方法包括使用一种复合材料结构件的成型模具组，所述成型模具组包括振动处理用模具、微波固化用模具、真空袋(2)和硅橡胶模具(4)；所述硅橡胶模具内设有沿轴向贯通其中心的圆形通孔(4.1)，所述振动处理用模具包括紧固装置(1)和振动支撑座(6)，所述振动支撑座(6)上表面内凹形成用于容置径向由外而内的真空袋(2)、预浸料(3)和硅橡胶模具(4)的凹槽(6.1)；所述微波固化用模具包括模具支撑架(8)和支撑轴(9)，所述支撑轴(9)的直径小于等于顶盖通孔(3.1)和底盖通孔(3.2)的内切圆直径；所述成型方法包括如下步骤：
S1：首先将预浸料(3)按铺层方式铺放在硅橡胶模具(4)上形成预成型体，然后用真空袋(2)将预浸料(3)和硅橡胶模具(4)密封完成制袋过程；
S2：将封袋好的材料移动并放置在振动支撑座(6)的凹槽(6.1)中，用紧固螺栓B(10)将所述振动支撑座与振动微波复合成型制造系统的物料平台(7)固定在一起，所述振动微波复合成型制造系统能为设置在其物料平台(7)上的物质提供加速度在竖直方向的振动和提供微波辐照，并采用紧固装置(1)将封袋好的材料与所述振动支撑座通过紧固螺栓A(5)连接，以此实现封袋好的材料与物料平台(7)的同步振动，直至完成振动处理过程；
S3：振动处理结束后，将封袋好的材料从振动支撑座(6)上移除，并将振动支撑座(6)、紧固装置(1)以及紧固螺栓均从振动微波复合成型制造系统内取出；
S4：先将支撑轴(9)插入硅橡胶模具(4)中心的圆形通孔(4.1)且支撑轴的两端均伸出圆形通孔(4.1)，所述支撑轴两端分别与模具支撑架(8)连接，并将模具支撑架(8)设置在物料平台...

【专利技术属性】
技术研发人员：湛利华，关成龙，戴光明，肖瑜，杨晓波，吴欣桐，彭益丰，赵国庆，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43