[發明專利]低熱膨脹碳纖維增強樹脂基復合材料模具的制備方法

有效

• 申請號: 201310196892.2
• 申請日: 2013-05-24
• 公開（公告）號: CN103273662A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 尤潔;許向彥;徐鶴;楊大鵬
• 申請（專利權）人: 航天材料及工藝研究所;中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: B29C70/34
• 分類號: B29C70/34;B29C70/42;B29C70/54
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明涉及低熱膨脹碳纖維增強樹脂基復合材料模具的制備方法，屬于復合材料制備技術領域。

背景技術

復合材料因其優異的材料性能和工藝特性，在飛機機翼、機身、中央翼盒等主承力結構、運載火箭上面級、衛星承力筒、衛星電池陣、導彈殼體等航天結構件上的得到了廣泛應用，但在我國的應用規模與水平、制造工藝和設備等方面仍遠落后于發達國家，尤其是復合材料模具還沒有在國內得到推廣，在歐美發達國家復合材料模具在航空航天領域均得到了廣泛應用。

目前國內在制造高性能、高精度要求的復合材料制件時，仍然首先選擇鑄鋁或低碳鋼工裝，模具重量大、制造周期長、熱容量高、可修補性差、熱膨脹系數與復合材料差異大，給復合材料制品的生產帶來諸多問題。而復合材料模具質量輕，易于搬運，制造周期短，熱容量低，溫度分布均勻，可修補性好，尤其是熱膨脹系數與復合材料制品相匹配，可解決一直以來困擾復合材料制件的尺寸誤差和固化變形問題。

由于受到灌注樹脂體系耐溫性、抗沖擊性等限制，國內外的文獻中制造復合材料模具多采用碳纖維預浸料熱壓罐成型工藝，鮮有采用真空輔助（VARI）工藝制造復合材料模具的報道，尤其是國內對VARI工藝研究起步晚，開展VARI成型復合材料模具的研究更少。

發明內容

本發明的目的是為了解決金屬模具的質量大、生產周期長、熱膨脹系數與復合材料不匹配的問題，提出低熱膨脹碳纖維增強樹脂基復合材料模具的制備方法，所制備的復合材料模具比強度高、比剛度高、低熱膨脹、制造周期短、抗疲勞、耐腐蝕、質量輕和破損安全性能好。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

本發明的低熱膨脹碳纖維增強樹脂基復合材料模具的制備方法，該方法用VARI工藝成型型面，并通過控制型面碳纖維鋪層方向、預固化溫度、后固化方式及后處理方式，保證模具低熱膨脹性能；低熱膨脹碳纖維增強樹脂基復合材料模具以下簡稱該模具；具體實施步驟為：

第一步，設計該模具結構：

根據產品的型面尺寸設計該模具結構，充分考慮產品技術條件要求，保證產品順利脫模，使模具具有良好的通風、傳熱效果，在保證模具剛度的前提下盡可能降低模具重量；

第二步，設計該模具的型面鋪層：

根據經典層合板理論設計鋪層角度及順序，使該模具的熱膨脹系數滿足產品對低膨脹模具的性能需求；

第三步，該模具的型面成型：

A3.1、制作母模：根據產品的外形及成型工藝制作母模；

A3.2、該模具的型面成型：在A3.1制作的母模表面按照第二步設計的鋪層角度及順序鋪放碳纖維，在碳纖維表面鋪設導流介質，包覆真空袋，利用真空灌注工藝用樹脂浸潤碳纖維，并預固化成型；

A3.3、該模具型面后固化處理，使材料熱穩定性滿足使用要求。

第四步，制作該模具的支撐框架：根據第一步模具結構設計支撐框架結構形式，采用金屬材料或復合材料制作支撐框架；

第五步，將第三步制作的型面和第四步制作的支撐框架進行組裝：在該模具的背面安裝支撐框架，如選用金屬框架安裝方式為柔性連接，如采用與型面熱膨脹系數相同的復合材料制作框架，可直接粘接固定；

第六步，該模具的型面后處理：

用三坐標激光跟蹤檢測儀檢測該模具精度，確認該模具的型面變化值；當該模具的型面變化較小時，利用拋光打磨處理工藝，使該模具的型面符合設計要求；當該模具的型面尺寸超差較大時，利用五軸數控加工中心加工該模具的型面，并對加工后該模具的型面進行拋光處理，確保模具表面光潔度滿足設計要求。

所述步驟A3.2中所使用的碳纖維編織布規格為±45°雙軸向、0°/±45°三軸向或0°單軸向或是使用其中兩種規格或是三種規格的都使用；

所述步驟A3.2該模具的型面成型采用VARI工藝，產品成型壓力為0.08～0.1MPa，成型后復合材料纖維體積含量為50%～55%，產品性能穩定；

所述步驟A3.2該模具的型面預固化采用室溫固化工藝，室溫預固化可保證母模不發生熱變形，確保模具型面尺寸精度。

本發明與現有技術相比有益效果為：

（1）VARI工藝，當真空壓力達到0.1MPa時，真空將碳纖布進行壓實使樹脂導入后產品內部密實，保證復合材料纖維體積含量，同時去除碳纖布層間氣泡，保證復合材料內部孔隙含量盡可能少，保證復合材料強度。

（2）通過改變纖維不同方向排布和克重，設計模具不同方向的線膨脹系數，使其與目標復合材料制品的熱膨脹相匹配。