一種輕質復合材料結構連接件的成型方法
【專利摘要】本發明涉及一種輕質復合材料結構連接件的成型方法，包括如下步驟：(1)制備RTM成型模具；(2)鋪疊多層碳纖維平紋織物，鋪層方式為[(0,90)/(±45)/(0,90)/(±45)/(0,90)]nS；(3)將多層碳纖維平紋織物縫合在一起形成預制件；(4)將預制件裝入成型模具；(5)向成型模具中注入樹脂并進行固化，拆除成型模具，完成制備；該成型方法制備得到的結構連接件具有輕質、高剛度、熱穩定性好的優點，且內部無缺陷，符合GJB2895-A級要求；尺寸、形位公差滿足設計指標；產品表觀質量好；與同規格的鋁合金連接件相比減重35％，減重效果明顯。
【專利說明】一種輕質復合材料結構連接件的成型方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種輕質復合材料結構連接件的成型方法，屬于碳纖維增強樹脂基復合材料【技術領域】，應用于衛星結構。
【背景技術】
[0002]目前，在軌衛星艙體壁板之間的連接采用鋁合金連接件，是截面形狀為T形或L形的型材。鋁合金連接件容易加工，但也存在著一些不足之處，如:質量重、剛度較差、熱變形大等。
[0003]現有的鋁合金連接件采用硬質鋁合金加工，材料的密度為2.8g/cm3，熱膨脹系數為 23xlO_6/°C，比模量為 26GPa/(g/cm3)。
[0004]通常一顆衛星結構上需安裝120?150根鋁合金連接件，質量約40?50kg。對于衛星來說，結構重量越小越好，這樣就可以承載更多的有效載荷，如:相機、天線、轉發器等；而且可以降低火箭的運載成本。因此，結構減重一直是航天科技人員追求的目標。
[0005]另外，鋁合金連接件的長度越長，熱變形越大。對于一些熱穩定要求很高的衛星結構，如:相機安裝板、星敏感器支架等，鋁合金連接件的熱變形就超出了設計指標，不能滿足熱穩定性的要求。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種輕質復合材料結構連接件的成型方法，該成型方法制備得到的結構連接件具有輕質、高剛度、熱穩定性好的優點，且內部無缺陷，符合GJB2895-A級要求；尺寸、形位公差滿足設計指標；產品表觀質量好；與同規格的鋁合金連接件相比減重35%,減重效果明顯。
[0007]本發明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現的:
[0008]一種輕質復合材料結構連接件的成型方法，包括如下步驟:
[0009]步驟(一)、制備RTM成型模具，所述RTM成型模具包括陽模、陰模和兩個端蓋，其中陽模是截面形狀為L形的凸模，陰模是截面形狀為L形的凹模，且所述L形凹模兩個相互垂直的內表面上開有凹槽，所述凹槽的輪廓與待制備的結構連接件的外輪廓相同；兩個端蓋的內表面有L形的封閉密封槽，密封槽內放置密封條，陽模與陰模相接觸的兩個面分別有一條密封槽，密封槽內放置密封條，兩條密封槽的位置與兩側端蓋上的密封槽位置相對應，形成一個密閉的模腔，其中兩個端蓋上分別設有入料口和出料口；
[0010]步驟(二)、鋪疊多層碳纖維平紋織物，鋪層方式為[(0，90)/(±45)/(0，90)/(±45) / (0，90) Ins，其中η表示循環次數，為正整數；S表示對稱；
[0011]步驟(三)、將步驟(二)的多層碳纖維平紋織物縫合在一起形成預制件；
[0012]步驟(四)、將所述預制件裝入RTM成型模具陰模的凹槽內，再將陽模與陰模固定連接在一起，最后把兩個端蓋分別從兩側與陽模和陰模固定連接；
[0013]步驟(五)、檢驗RTM成型模具的氣密性，若真空度達到-0.099MPa以上，則表明RTM成型模具氣密性滿足要求，進入步驟(六)，否則，重新裝配RTM成型模具，直至真空度滿足要求；
[0014]步驟(六)、將RTM成型模具放入烘箱預熱至60?80°C，同時將樹脂預熱至60?70 0C ；
[0015]步驟(七)、從烘箱取出RTM成型模具，將預熱的樹脂從一側端蓋的入料口注入RTM成型模具的模腔內，當樹脂從另一側端蓋的出料口流出且無氣泡時，停止注入樹脂，封閉兩個端蓋的入料口和出料口；
[0016]步驟(八)、將RTM成型模具放入烘箱進行固化，固化完成后將RTM成型模具從烘箱中取出，拆除兩個端蓋、陽模和陰模，完成復合材料結構連接件的制備。
[0017]在上述輕質復合材料結構連接件的成型方法中，L形凹模兩個相互垂直的內表面上開設有輪廓為波浪形的凹槽，所述波浪形凹槽的輪廓即為待制備的結構連接件的外輪廓。
[0018]在上述輕質復合材料結構連接件的成型方法中，密封槽和密封槽的槽內放置的密封條為硅橡膠密封條。
[0019]在上述輕質復合材料結構連接件的成型方法中，步驟(三)中采用芳綸線作為縫紉線對多層碳纖維平紋織物進行縫合，縫合針距為3?8mm、縫合行距為5?15mm。
[0020]在上述輕質復合材料結構連接件的成型方法中，步驟(三)中在多層碳纖維平紋織物對應的復合材料結構連接件的鋸齒形外緣及孔周圍加大縫線密度，控制縫合行距為2 ?4mm。
[0021]在上述輕質復合材料結構連接件的成型方法中，步驟(七)中的固化處理條件為:首先升溫至90°C ±5°C時，保溫30min±5min ;然后繼續升溫至165°C ±5°C，保溫120min±5min ;之后關閉烘箱開關，RTM成型模具自然冷卻至50°C以下。
[0022]在上述輕質復合材料結構連接件的成型方法中，陽模上的兩條密封槽與兩側端蓋上的密封槽相連接，形成一個密閉的模腔。
[0023]本發明與現有技術相比具有如下有益效果:
[0024](I)、本發明通過設計專用RTM成型模具完成復合材料結構件的成型，該成型模具及其密封結構設計巧妙，通過陽模、陰模與端蓋的配合，不僅保證了較高的成型精度，而且具有優異的密封性能，此外陰模上的凹槽形狀可以根據連接件形狀結構進行設計，滿足不同外形結構連接件的成型，適用范圍廣、通用性強；
[0025](2)、本發明以碳纖維織物作為增強材料，為兼顧連接件各方向的力學性能，設計了獨特的鋪層方式:[(0，90)/(±45)/(0，90)/(±45)/(0，90)]1^，保證連接件的拉伸、壓縮、彎曲、剪切性能滿足使用要求，此外該鋪層方式為準各向同性鋪層，各方向的熱膨脹系數基本一致，且數值較低，具有熱變形小、熱穩定性佳的優點；
[0026](3)、本發明在多層碳纖維平紋織物對應的復合材料結構連接件的鋸齒形外緣及孔周圍加大縫線密度形成加密區，控制縫合行距為2?4_，防止在后續機械加工中復合材料結構連接件的鋸齒形外緣和孔周圍分層或出現裂紋擴展，保證了結構連接件的產品質量和精度；
[0027](4)、本發明方法制備的復合材料結構連接件具有輕質、高剛度、熱穩定性好的優點，經超聲波無損檢測證實，內部無缺陷，符合GJB2895-A級要求；尺寸、形位公差滿足設計指標；產品表觀質量好；與同規格的鋁合金連接件相比減重35%以上，減重效果明顯；
[0028](5)、本發明對各層碳纖維織物縫合的針距和行距進行了優化設計，同時對成型過程中的工藝條件進行了優化設計，進一步保證了復合材料結構連接件的產品性能和質量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明載體復合材料結構連接件的結構圖；
[0030]圖2為本發明預制件縫合加密區的示意圖；
[0031]圖3為本發明RTM成型模具的結構圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述:
[0033]本發明采用RTM(樹脂傳遞模塑)工藝成型復合材料零件。將制備的預制件放入模具，閉合模具，注入樹脂，固化成型復合材料零件的坯件。之后，通過機械加工去除余量、加工各連接孔，成為復合材料零件。按照孔位膠接相應的金屬墊片和托板螺母，成為組件。最后對組件進行組合機械加工，達到形位公差要求。
[0034]如圖3所示為本發明RTM成型模具的結構圖，由圖可知本發明RTM成型模具包括陽模1、陰模3和兩個端蓋2，其中陽模I是截面形狀為L形的凸模，陰模3是截面形狀為L形的凹模，且L形凹模兩個相互垂直的內表面上開有凹槽，凹槽的輪廓與待制備的結構連接件的外輪廓相同。如圖3所示本實施例中L形凹模兩個相互垂直的內表面上開設有輪廓為波浪形的凹槽6，波浪形凹槽6的輪廓即為待制備的結構連接件的外輪廓，如圖1所示為本實施例中載體復合材料結構連接件的結構圖。
[0035]兩個端蓋2的內表面有L形的封閉密封槽4，密封槽4內放置密封條，陽模I與陰模3相接觸的兩個面分別有一條密封槽5，密封槽5內放置密封條，本實施例中密封條選用硅橡膠密封條。兩條密封槽5的位置與兩側端蓋2上的密封槽4位置相對應，即兩條密封槽5與兩側端蓋2上的密封槽4相連接，形成一個密閉的模腔，其中兩個端蓋2上分別設有入料口和出料口。
[0036]本發明輕質復合材料結構連接件的成型方法包括如下步驟:
[0037]步驟(一)、為保證連接件的拉伸、壓縮、彎曲、剪切性能滿足使用要求，設計的鋪層方式為[(O, 90)/ (±45)/ (O, 90)/ (±45)/ (O, 90) Jns ;中η表不循環次數，為正整數，S表示對稱；選擇碳纖維平紋織物作為增強材料，計算各角度織物所用的層數；為提高鋪層操作的角度精度，利用數控裁剪設備裁剪出所需尺寸的各層織物。
[0038]步驟(二)、以芳綸線作為縫紉線，使用工業縫紉機將步驟(一)的多層碳纖維平紋織物縫合在一起，形成預制件。縫合針距為3?8mm、縫合行距為5?15mm。為防止在后續機械加工中復合材料零件的鋸齒形外緣和孔周圍分層或出現裂紋擴展，在這些區域加密縫線，即縮小縫合行距至2?4mm。
[0039]本實施例中縫合參數為:針距5mm,行距1mm,鋸齒形外緣及孔周圍加大縫線密度，行距為3_，縫合加密區如圖2所示，圖2為本發明預制件縫合加密區的示意圖。
[0040]步驟(四)、將預制體裝入RTM成型模具陰模3的波浪形凹槽內，再將陽模I與陰模3通過螺釘與螺母緊固在一起；最后把兩個端蓋2分別從兩側與陽模I和陰模3用螺釘緊固，至此，RTM成型模具裝配完畢。
[0041]步驟(五)、檢驗RTM成型模具的氣密性，若真空度達到-0.099MPa以上，則表明RTM成型模具氣密性滿足要求，進入步驟(六)，否則，重新裝配RTM成型模具，直至真空度滿足要求；
[0042]步驟(六)、將RTM成型模具放入烘箱預熱至60?80°C，同時將樹脂預熱至60?70 0C ；
[0043]步驟(七)、從烘箱取出RTM成型模具，將預熱的樹脂從一側端蓋2的入料口注入RTM成型模具的模腔內，當樹脂從另一側端蓋2的出料口流出且無氣泡時，停止注入樹脂，用螺釘封閉兩個端蓋2的入料口和出料口。至此，樹脂注射完成，RTM模具封閉。
[0044]步驟(八)、將RTM成型模具放入烘箱進行固化，固化處理條件為:首先升溫至90±5°C時，保溫30±5min ;然后繼續升溫至165±5°C，保溫120±5min ;之后關閉烘箱開關，RTM成型模具自然冷卻至50°C以下。
[0045]本實施例的固化條件為:開始升溫，至90°C時，保溫30min ;然后繼續升溫至165°C，保溫120min ;隨后關閉烘箱開關，模具自然冷卻至40°C。
[0046]步驟(九)、固化完成后將RTM成型模具從烘箱中取出，拆除各緊固螺釘、螺母，去除兩個端蓋2，然后移除陽模1，從陰模3中取出固化完畢的復合材料坯件。
[0047]步驟(十)、機械加工復合材料坯件的外形及孔。
[0048]步驟(十一)、在復合材料零件的相應孔位處膠接墊片、托板螺母，形成組件。
[0049]步驟(十二)、組合機械加工組件，達到形位公差要求，即孔的位置度Φ0.2_，平面度0.3mm,垂直度0.3_。
[0050]本發明實施例制備得到的復合材料結構連接件，其密度僅為1.5g/cm3，熱膨脹系數為2x10_6/°C，比模量為70GPa/(g/cm3)。經超聲波無損檢測證實，內部無缺陷，符合GJB2895-A級要求；尺寸、形位公差滿足設計指標；產品表觀質量好；與同規格的鋁合金連接件相比減重35 %以上，減重效果明顯。
[0051]本發明的輕質、高剛度、熱穩定復合材料連接件比現有鋁合金連接件具有明顯的優勢，應用前景廣闊。
[0052]以上所述，僅為本發明最佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
[0053]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員的公知技術。
【權利要求】
1.一種輕質復合材料結構連接件的成型方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟(一)、制備RTM成型模具，所述RTM成型模具包括陽模(I)、陰模(3)和兩個端蓋(2)，其中陽模(I)是截面形狀為L形的凸模，陰模(3)是截面形狀為L形的凹模，且所述L形凹模兩個相互垂直的內表面上開有凹槽，所述凹槽的輪廓與待制備的結構連接件的外輪廓相同；兩個端蓋(2)的內表面有L形的封閉密封槽(4),密封槽(4)內放置密封條,陽模(I)與陰模(3)相接觸的兩個面分別有一條密封槽(5)，密封槽(5)內放置密封條，兩條密封槽(5)的位置與兩側端蓋(2)上的密封槽⑷位置相對應，形成一個密閉的模腔，其中兩個端蓋(2)上分別設有入料口和出料口 ； 步驟(二)、鋪疊多層碳纖維平紋織物，鋪層方式為[(O，90)/(±45)/(O，90)/(±45)/(O, 90) Ins，其中η表示循環次數，為正整數；S表示對稱； 步驟(三)、將步驟(二)的多層碳纖維平紋織物縫合在一起形成預制件； 步驟(四)、將所述預制件裝入RTM成型模具陰模(3)的凹槽內，再將陽模(I)與陰模(3)固定連接在一起，最后把兩個端蓋(2)分別從兩側與陽模⑴和陰模(3)固定連接；步驟(五)、檢驗RTM成型模具的氣密性，若真空度達到-0.099MPa以上，則表明RTM成型模具氣密性滿足要求，進入步驟(六)，否則，重新裝配RTM成型模具，直至真空度滿足要求； 步驟(六)、將RTM成型模具放入烘箱預熱至60?80°C，同時將樹脂預熱至60?70°C;步驟(七)、從烘箱取出RTM成型模具，將預熱的樹脂從一側端蓋(2)的入料口注入RTM成型模具的模腔內，當樹脂從另一側端蓋(2)的出料口流出且無氣泡時，停止注入樹脂，封閉兩個端蓋⑵的入料口和出料口 ； 步驟(八)、將RTM成型模具放入烘箱進行固化，固化完成后將RTM成型模具從烘箱中取出，拆除兩個端蓋(2)、陽模(I)和陰模(3)，完成復合材料結構連接件的制備。
2.根據權利要求1所述的一種輕質復合材料結構連接件的成型方法，其特征在于:所述L形凹模兩個相互垂直的內表面上開設有輪廓為波浪形的凹槽￠)，所述波浪形凹槽(6)的輪廓即為待制備的結構連接件的外輪廓。
3.根據權利要求1所述的一種輕質復合材料結構連接件的成型方法，其特征在于:所述密封槽(4)和密封槽(5)的槽內放置的密封條為硅橡膠密封條。
4.根據權利要求1所述的一種輕質復合材料結構連接件的成型方法，其特征在于:所述步驟(三)中采用芳綸線作為縫紉線對多層碳纖維平紋織物進行縫合，縫合針距為3?8_、縫合行距為5?15_。
5.根據權利要求1或4所述的一種輕質復合材料結構連接件的成型方法，其特征在于:所述步驟(三)中在多層碳纖維平紋織物對應的復合材料結構連接件的鋸齒形外緣及孔周圍加大縫線密度，控制縫合行距為2?4mm。
6.根據權利要求1所述的一種輕質復合材料結構連接件的成型方法，其特征在于:所述步驟(七)中的固化處理條件為:首先升溫至90°C ±5°C時，保溫30min±5min;然后繼續升溫至165°C ±5°C，保溫120min±5min ;之后關閉烘箱開關，RTM成型模具自然冷卻至50°C以下。
7.根據權利要求1所述的一種輕質復合材料結構連接件的成型方法，其特征在于:所述陽模⑴上的兩條密封槽(5)與兩側端蓋(2)上的密封槽⑷相連接，形成一個密閉的
bO *Tf~/TVT|,
【文檔編號】B29C70/36GK104260367SQ201410418760
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月22日 優先權日:2014年8月22日
【發明者】馬立, 白剛, 劉佳 申請人:北京衛星制造廠