一种复合材料壳体的制造方法技术

本发明专利技术涉及一种复合材料壳体的制造方法，根据壳体的内腔尺寸和固化成形温度，设计金属内模；根据壳体顶部尺寸，设计顶部压板，覆盖顶部平面；根据壳体外形尺寸，制备橡胶软模。通过采用分体金属阳模定形，橡胶软模传递压力的组合模具方案，降低了壳体脱模难度，实现了各个形面固化压力的稳定和均匀传递，提高了壳体层间胶接质量和力学性能。采用在阳模上绕铺预吸胶后的预浸带，实现了碳纤维的精确取向和连续铺放，提高了壳体尺寸精度和力学性能。采用预压—固化分段成形工艺，减少了壳体固化过程的低分子挥发份含量，降低了壳体孔隙率和内部制造缺陷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种壳体的制造方法，特别是涉及一种复合材料壳体的制造方法。
技术介绍
为实现航天器结构的轻质、高强需求，越来越多的航天器支座由金属材料改为采用高模量碳纤维与环氧树脂复合材料制造的壳体结构。其特点是强度、刚度优异，且质量轻。制造工艺过程是，先制备预浸无纬布，按预定的纤维取向将预浸无纬布逐层铺放在阳模上，然后合模、通过加热并施加一定压力使壳体固化，脱模后再经过辅助加工获得成品。复合材料壳体根据其承受载荷的分布情况，采取变截面构形，且不同部位的壁厚各不相同。采用金属阳模和阴模控制壳体形状，在变厚度处易出现模具卡死，壳体不同形面压力不能同时到位等弊端，对控制壳体外形尺寸，提高层间胶接强度，消除富胶、贫胶、孔隙、疏松和皱褶等缺陷非常不利。采用平面裁剪的预浸无纬布铺放方法，不仅材料断缝多，壳体承载能力降低，而且纤维取向不易控制，断缝区域局部搭接后更容易造成纤维屈曲，从而导致壳体翘曲变形，影响其尺寸精度和力学性能。采用铺叠后直接热压固化的成形工艺，固化过程的低分子挥发份多，壳体孔隙率高，胶接强度低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种复合材料壳体的制造方法，包括以下步骤：(1)制备预浸无纬布，预浸无纬布预吸胶后，根据壳体尺寸将预浸无纬布裁剪成窄带；(2)在金属内模的表面绕铺窄带，形成复合材料层合体，所述金属内模为分体的上、下模，并在下模上设计脱模顶出接口；(3)对铺设的复合材料层合体进行预压：在复合材料层合体外表面铺放工艺辅料，然后在层合体顶部安装顶部压板，所述顶部压板(10)，覆盖壳体顶部平面；将层合体、金属内模、顶部压板及工艺辅料的组合体封装入真空系统，再放入热压罐中进行预压；(4)将复合材料层合体固化成壳体：拆除真空系统，卸下所述顶部压板(10)，拆除预压时的工艺辅料，在底面法兰周围放置橡胶挡条(18)，重新铺放透气和隔离辅料，然后安装所述顶部压板(10)，最后安装橡胶软模(20)，封装入真空系统，再放入热压罐中固化；在壳体固化成形达到最高成形温度，并保持该温度时，所述金属内模膨胀至匹配壳体内腔尺寸；所述橡胶软模(20)制备方法为：焊接壳体工艺件，将工艺件安装在组装好的金属内模上，在顶部安装所述顶部压板(10)，然后铺放未硫化橡胶片，制备出橡胶软模，所述壳体工艺件模拟待制备壳体，与待制备壳体的尺寸构型完全相同；(5)将壳体与橡胶软模、顶部压板、金属内模分离；(6)加工壳体，获得成品壳体。其中，所述顶部压板的厚度按下式计算：其中，h为压板厚度；μ为内模材料的泊松比；P为固化空气压力；ρ为压板材料质量密度；g为重力加速度；K为工艺常数。其中，K的取值为0.001。其中，未硫化橡胶在150℃，0.6MPa下保温1h制备出橡胶软模。其中，所述步骤(1)中，预浸无纬布预吸胶具体为：在85℃～90℃，0.2MPa～0.3MPa下，保温20min～30min，对预浸无纬布进行预吸胶，控制预吸胶后的含胶量为(34±2)％。其中，所述步骤(2)中绕铺窄带的具体方法为：用窄带在金属内模上依次绕铺下主体层、壳顶中间加强层、上主体层和底部加强层，具体方法为：首先绕铺下主体层，下主体层覆盖壳体所有外表面，铺层方式为(+45/-45/0/90)S；然后铺放壳顶中间加强层，只覆盖壳顶上表面，铺层方式为(+45/-45/0/90)2S；再绕铺上主体层，与下主体层对称进行；最后绕铺底部加强层，覆盖壳体底面法兰和底部加强段，铺层方式为(+45/-45/0/90)S。其中，所述步骤(3)中还包括确定吸胶纸层数Na，具体为：称量铺设好的层合体重量Gp，按下式根据壳体最终的含胶量a％数值确定吸胶纸层数Na：其中，A为层合体坯件面积；Nb为层合体铺叠层数；Gpf为预浸无纬布单位面积纤维重量；a％为壳体最终树脂重量含量；Gb为吸胶纸单位面积吸胶量。其中，还包括步骤(7)加工壳体，在壳体上加工安装接口和减轻孔，获得成品。其中，固化为在(165±5)℃，(0.5±0.1)MPa下，保温(120±10)min。其中，壳体外表面铺放的工艺辅料为：依次铺放透气氟布、吸胶纸、带孔隔离膜、透气毡，于(85±5)℃，(0.3±0.05)MPa下预压(20±5)min。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：(1)采用分体金属阳模定形，橡胶软模传递压力的组合模具方案，通过金属内模使产品定型，软模在固化成形环节可改变表面而改变压力方向使其产生压力转移，从而使壳体各个形面在固化过程保持稳定压力，壳体厚度可控，层间胶接强度大幅提高。金属内模采用上下分体模具，便于脱膜。克服了传统的采用金属阴模在壳体变厚度处易出现模具卡死，壳体不同形面压力不能同时到位等弊端。(2)采用在阳模上绕铺预吸胶后的预浸无纬布窄带，实现了碳纤维的精确取向和连续铺放，提高了壳体尺寸精度和力学性能。克服了传统的平面裁剪铺放方法，材料断缝多，纤维取向不易控制的缺陷。(3)采用顶部压板限制复合材料向截面较小端堆积，避免了壳体固化成形环节顶部复合材料向上拱起，壳体报废的隐患。(4)采用预压——固化分段成形工艺，减少了壳体固化过程的低分子挥发份含量，降低了壳体孔隙率和内部制造缺陷。(5)对于产品形状复杂，尤其是变截面产品，克服了传统方式制造的产品厚度不均匀，顶部平面度超差的缺陷。(6)采用本专利技术制成的复合材料壳体，相比尺寸构型完全一致的铝合金壳体，重量降低40％，刚度提高22％以上。附图说明图1为本专利技术成果复合材料壳体的结构图；图2为本专利技术复合材料壳体的工艺流程图；图3为本专利技术成形内模示意图；图4为本专利技术成形内模与顶部压板组合示意图；图5为本专利技术预浸无纬布纤维铺放示意图；其中图5(a)为预浸无纬布纤维铺放方向示意图；图5(b)为预浸无纬布纤维+45°方向铺放示意图；图5(c)为预浸无纬布纤维-45°方向铺放示意图；图5(d)为预浸无纬布纤维0°方向铺放示意图；图5(e)为为预浸无纬布纤维90°方向铺放示意图；图6为本专利技术预浸无纬布铺放示意图；图7为本专利技术壳体与模具组合示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实例对本专利技术作进一步详细的描述：如图1所示，本专利技术获得的壳体之一为一种变截面的碳纤维与环氧树脂复合材料的壳体，由底面法兰1、底部加强段2、壳身3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料壳体的制造方法，其特征在于包括以下步骤：(1)制备预浸无纬布，预浸无纬布预吸胶后，根据壳体尺寸将预浸无纬布裁剪成窄带；(2)在金属内模的表面绕铺窄带，形成复合材料层合体，所述金属内模为分体的上、下模，并在下模上设计脱模顶出接口；(3)对铺设的复合材料层合体进行预压：在复合材料层合体外表面铺放工艺辅料，然后在层合体顶部安装顶部压板，所述顶部压板(10)，覆盖壳体顶部平面；将层合体、金属内模、顶部压板及工艺辅料的组合体封装入真空系统，再放入热压罐中进行预压；(4)将复合材料层合体固化成壳体：拆除真空系统，卸下所述顶部压板(10)，拆除预压时的工艺辅料，在底面法兰周围放置橡胶挡条(18)，重新铺放透气和隔离辅料，然后安装所述顶部压板(10)，最后安装橡胶软模(20)，封装入真空系统，再放入热压罐中固化；在壳体固化成形达到最高成形温度，并保持该温度时，所述金属内模膨胀至匹配壳体内腔尺寸；所述橡胶软模(20)制备方法为：焊接壳体工艺件，将工艺件安装在组装好的金属内模上，在顶部安装所述顶部压板(10)，然后铺放未硫化橡胶片，制备出橡胶软模，所述壳体工艺件模拟待制备壳体，与待制备壳体的尺寸构型完全相同；(5)将壳体与橡胶软模、顶部压板、金属内模分离；(6)加工壳体，获得成品壳体。...

【技术特征摘要】
1.一种复合材料壳体的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)制备预浸无纬布，预浸无纬布预吸胶后，根据壳体尺寸将预浸无
纬布裁剪成窄带；
(2)在金属内模的表面绕铺窄带，形成复合材料层合体，所述金属内
模为分体的上、下模，并在下模上设计脱模顶出接口；
(3)对铺设的复合材料层合体进行预压：在复合材料层合体外表面铺
放工艺辅料，然后在层合体顶部安装顶部压板，所述顶部压板(10)，覆盖
壳体顶部平面；将层合体、金属内模、顶部压板及工艺辅料的组合体封装入
真空系统，再放入热压罐中进行预压；
(4)将复合材料层合体固化成壳体：拆除真空系统，卸下所述顶部压
板(10)，拆除预压时的工艺辅料，在底面法兰周围放置橡胶挡条(18)，
重新铺放透气和隔离辅料，然后安装所述顶部压板(10)，最后安装橡胶软
模(20)，封装入真空系统，再放入热压罐中固化；
在壳体固化成形达到最高成形温度，并保持该温度时，所述金属内模膨
胀至匹配壳体内腔尺寸；
所述橡胶软模(20)制备方法为：焊接壳体工艺件，将工艺件安装在组
装好的金属内模上，在顶部安装所述顶部压板(10)，然后铺放未硫化橡胶
片，制备出橡胶软模，所述壳体工艺件模拟待制备壳体，与待制备壳体的尺
寸构型完全相同；
(5)将壳体与橡胶软模、顶部压板、金属内模分离；
(6)加工壳体，获得成品壳体。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述顶部压板的厚度按下
式计算：h=2KμPρg]]>其中，h为压板厚度；μ为内模材料的泊松比；P为固化空气压力；ρ为

\t压板材料质量密度；g为重力加速度；K为工艺常数。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，K的取值为0.001。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，未硫化橡胶在150℃，0.6MPa
下保温1h制备出橡胶软模。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(1)中，预浸无...

【专利技术属性】
技术研发人员：李莺歌，郑建虎，宫顼，陶积柏，朱大雷，
申请(专利权)人：北京卫星制造厂，
类型：发明
国别省市：北京;11