一種碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于碳纖維復(fù)合材料制品成型技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維復(fù)合材料(CFRP)具有優(yōu)異的機(jī)械性能和物理性能，是應(yīng)用于航空、航天、兵器、電子等領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料，碳纖維復(fù)合材料管結(jié)構(gòu)是組成復(fù)合材料構(gòu)架的一種典型單元，具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等許多優(yōu)異的性能，是航空、航天器結(jié)構(gòu)中常用的結(jié)構(gòu)組件。
[0003]傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料管件成型常用的方法有卷管法、纖維纏繞法、拉擠法等成型工藝。對(duì)于薄壁的碳纖維復(fù)合材料曲線(xiàn)管，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，若采用傳統(tǒng)的卷管法，其脫模比較困難且容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象；而采用纖維纏繞法成型的工藝難度很大，不容易制備連續(xù)長(zhǎng)度的大尺寸管件，且產(chǎn)品軸向拉伸強(qiáng)度較低、外表面粗糙、易滲漏；而拉擠法雖然理論上能夠連續(xù)不斷地制備長(zhǎng)度不限的復(fù)合材料型材制品，但是在大尺寸的薄壁管件環(huán)向力學(xué)性能的提高和牽引力的控制方面還存在較大的難度，對(duì)實(shí)現(xiàn)變截面生產(chǎn)也具有相當(dāng)?shù)碾y度。
[0004]因此，對(duì)薄壁碳纖維復(fù)合材料曲線(xiàn)管的制備技術(shù)進(jìn)行針對(duì)性研究，是面向碳纖維復(fù)合材料管在輕量化航空器領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵所在，也是復(fù)合材料成型技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的迫切需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的制備方法。該方法利用泡沫芯模控制制品的內(nèi)形面，利用鋼外?？刂浦破返耐庑蚊妫軌蚋鶕?jù)實(shí)際需要對(duì)模具進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整從而制備出多種形貌、多種尺寸的復(fù)合材料制品，具有制品形貌可控性強(qiáng)、表面狀態(tài)光潔、力學(xué)性能較好、簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，適用于連續(xù)長(zhǎng)度、大尺寸、曲線(xiàn)形管制品的成型。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的制備方法，其特征在于，該方法采用的模具包括泡沫芯模和鋼外模，所述泡沫芯模的形狀為曲線(xiàn)柱狀，所述鋼外模的形狀為曲線(xiàn)管狀，所述泡沫芯模的外壁形狀與所要制備的碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的內(nèi)壁形狀相匹配，所述鋼外模的內(nèi)壁形狀與所述碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的外壁形狀相匹配，所述泡沫芯模的橫截面形狀為圓形，所述鋼外模的橫截面形狀為圓環(huán)形，所述泡沫芯模的直徑尺寸不大于所述碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的內(nèi)徑尺寸，所述鋼外模的內(nèi)徑尺寸與所述碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的外徑尺寸相等，該方法包括以下步驟:
[0007]步驟一、將泡沫芯模裝入氣袋中，然后利用真空栗對(duì)所述氣袋進(jìn)行抽真空處理，直至使氣袋緊密包覆于泡沫芯模外；
[0008]步驟二、將預(yù)浸料均勻包覆于步驟一中裝有泡沫芯模的氣袋外；所述預(yù)浸料為碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料；
[0009]步驟三、將步驟二中包覆有泡沫芯模和氣袋的預(yù)浸料裝入鋼外模中，然后放入烘箱中加熱，并在加熱過(guò)程中利用空氣壓縮機(jī)向氣袋內(nèi)通入壓縮空氣，使預(yù)浸料在溫度為150°C，壓力為0.8MPa?1.0MPa的條件下固化30min，固化完畢后放氣卸壓，脫除鋼外模以及裝有泡沫芯模的氣袋，得到碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件，所述碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的壁厚為0.5mm?2.0mm。
[0010]上述的一種碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的制備方法，其特征在于，所述泡沫芯模的直徑尺寸為所述碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件內(nèi)徑尺寸的84%?95%。
[0011]上述的一種碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的制備方法，其特征在于，所述泡沫芯模的材質(zhì)為聚氨酯泡沫。
[0012]上述的一種碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的制備方法，其特征在于，步驟二中所述碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料中碳纖維的面密度為125g/m2?200g/m2，所述碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料的含膠量為30%?45%。
[0013]上述的一種碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的制備方法，其特征在于，步驟三中所述碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的外徑為10mm?50mm。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0015]1、本發(fā)明采用氣袋內(nèi)加壓-模壓工藝制備碳纖維復(fù)合材料曲線(xiàn)管件，首先將預(yù)浸料按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的鋪層方式包覆在泡沫芯模和鋼外模之間，充分利用氣袋具有一定的耐熱性、優(yōu)越的柔軟性、其延展率可達(dá)到三倍以上的優(yōu)點(diǎn)，在氣袋充氣膨脹的過(guò)程中，由于受到預(yù)浸料和鋼外模的限制，從而產(chǎn)生均勻的徑向壓力，即對(duì)鋼外模模壁產(chǎn)生壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)浸料固化過(guò)程中的均勻施壓。固化完畢后放氣卸壓，泡沫在高溫作用下熱解收縮，可直接從氣袋中取出，從而得到中空薄壁的碳纖維復(fù)合材料曲線(xiàn)管。
[0016]2、本發(fā)明中，泡沫芯模能夠控制制品的內(nèi)形面，制品的外形面主要靠外鋼模進(jìn)行控制，因此本發(fā)明能夠根據(jù)實(shí)際需要對(duì)模具進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整從而制備出多種形貌、多種尺寸的復(fù)合材料制品，具有制品形貌可控性強(qiáng)、表面狀態(tài)光潔、力學(xué)性能較好等優(yōu)點(diǎn)。
[0017]3、本發(fā)明采用氣袋內(nèi)加壓-模壓工藝制備碳纖維復(fù)合材料曲線(xiàn)管件，氣袋充氣即能夠產(chǎn)生均勻的壓力，且在一個(gè)普通的加熱設(shè)備中即可固化成型，也可直接在鋼外模外纏繞加熱電阻絲進(jìn)行加熱，不僅簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，而且適用于連續(xù)長(zhǎng)度、大尺寸、曲線(xiàn)形管制品的成型。
[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明利用氣袋、泡沫芯模和鋼外模對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行熱壓固化的狀態(tài)示意圖。
[0020]附圖標(biāo)記說(shuō)明:
[0021]1一預(yù)浸料；2—泡沫芯模；3—鋼外模；
[0022]4 一氣袋；5—壓縮空氣。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明制備碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件所采用的模具包括泡沫芯模2和鋼外模3，所述泡沫芯模2的形狀為曲線(xiàn)柱狀，所述鋼外模3的形狀為曲線(xiàn)管狀，所述泡沫芯模2的外壁形狀與所要制備的碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的內(nèi)壁形狀相匹配，所述鋼外模3的內(nèi)壁形狀與所述碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的外壁形狀相匹配，所述泡沫芯模2的橫截面形狀為圓形，所述鋼外模3的橫截面形狀為圓環(huán)形，所述泡沫芯模2的直徑尺寸不大于所述碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的內(nèi)徑尺寸，所述鋼外模3的內(nèi)徑尺寸與所述碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的外徑尺寸相等。所述泡沫芯模2的材質(zhì)優(yōu)選為聚氨酯。
[0024]實(shí)施例1
[0025]本實(shí)施例所要制備的碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的形狀為弧形，其外徑為22mm，壁厚為1.0mm，弦長(zhǎng)為3.0m。本實(shí)施例所選用的泡沫芯模2的直徑為17mm，所選用的鋼外模3的內(nèi)徑為22mm。結(jié)合圖1，本實(shí)施例碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的制備方法包括以下步驟:
[0026]步驟一、將泡沫芯模2裝入氣袋4內(nèi)，然后將氣袋4連接真空栗，之后開(kāi)啟真空栗對(duì)所述氣袋4進(jìn)行抽真空處理，直至使氣袋4緊密包覆于泡沫芯模2外；
[0027]步驟二、將預(yù)浸料1均勻包覆于步驟一中緊密包覆有泡沫芯模2的氣袋4外；所述預(yù)浸料1為單向碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料，所述預(yù)浸料1中單向碳纖維的面密度為150g/m2，預(yù)浸料1的含膠量為33% (質(zhì)量百分含量)；本實(shí)施例中包覆的具體過(guò)程為:按照90° 1CN/20。1CN/-20° 1cn/90。1cn/20。1cn/-20° 1cn/90。1CN的鋪層方式包覆，包覆總層數(shù)為 7層(1CN表示一層碳纖維單向預(yù)浸料)；
[0028]步驟三、將步驟二中包覆于氣袋4外的預(yù)浸料1裝入鋼外模3內(nèi)，然后放入烘箱中加熱，并在加熱過(guò)程中利用空氣壓縮機(jī)向氣袋4內(nèi)通入壓縮空氣5，使預(yù)浸料1在溫度為150°C，壓力為0.9MPa的條件下固化30min (熱壓固化狀態(tài)如圖1所示)，固化完畢后放氣卸壓，脫除鋼外模3和包覆有泡沫芯模2的氣袋4，得到碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件。
[0029]經(jīng)檢測(cè)，本實(shí)施例所制備的碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的外徑為22mm，平均壁厚為0.98mm。本實(shí)施例利用泡沫芯?？刂浦破返膬?nèi)形面，利用鋼外?？刂浦破返耐庑蚊?，能夠根據(jù)實(shí)際需要對(duì)模具進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整從而制備出多種形貌、多種尺寸的復(fù)合材料制品，具有制品形貌可控性強(qiáng)、表面狀態(tài)光潔、力學(xué)性能較好、簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，適用于連續(xù)長(zhǎng)度、大尺寸、曲線(xiàn)形管制品的成型。
[0030]實(shí)施例2
[0031]本實(shí)施例所要制備的碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的形狀為弧形，其外徑為22mm，壁厚為1.5mm，弦長(zhǎng)為3.0m。本實(shí)施例所選用的泡沫芯模2的直徑為16mm，所選用的鋼外模3的內(nèi)徑為22mm。結(jié)合圖1，本實(shí)施例碳纖維復(fù)合材料薄壁曲線(xiàn)管件的制備方法包括以下步驟:
[0032]步驟一、將泡沫芯模2裝入氣袋4內(nèi)，然后將氣袋4連接真空栗，之后開(kāi)啟真空栗對(duì)所述氣袋4進(jìn)行抽真空處理，直至使氣袋4緊密包覆于泡沫芯模2外；
[0033]步驟二、將預(yù)浸料1均勻包覆于步驟一中裝有泡沫芯模2的氣袋4外；所述預(yù)浸料1包括單向碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料和碳纖維編織布/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料，所述預(yù)浸料1中單向碳纖