一种热压强化制备复合材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种热压强化制备复合材料的方法，该方法包括以下步骤：(1)将基体(4)加工至设计尺寸；(2)将基体(4)套设在衬板(3)上，并将基体(4)内撑夹紧，然后在基体(4)外侧表面铺设增强体(5)；(3)利用外侧抱箍(6)将铺设增强体(5)的基体(4)整体抱箍，通过螺栓调节外侧抱箍(6)的紧固扭矩；(4)将高频感应线圈(8)置于外侧抱箍(6)外侧，进行加热；(5)降温至室温，然后再以内型面为定位基准，精加工外型面，得到复合材料。与现有技术相比，本发明专利技术降低了飞行器壳体对产品原始材料性能的需求，采用传统的铸造镁合金或者变形镁合金即可实现在产品级阶段对结构件进行按需强化。

【技术实现步骤摘要】
一种热压强化制备复合材料的方法
本专利技术涉及复合材料制造领域，尤其是涉及一种热压强化制备复合材料的方法。
技术介绍
航空航天领域对于飞行器、运载火箭、导弹类产品的轻量化设计追求从未止步，镁及铝合金作为目前成熟应用且密度较轻的金属材料之一，广泛应用于各类导弹舱体、飞行器舱段、卫星平台重要结构件产品。随着各类新一代飞行器、导弹的飞行工况愈发严酷，对主要结构件材料抗拉强度、疲劳强度等力学性能要求不断提高，传统铝合金材料在某些领域已经难以满足复杂极限的飞行工况。目前常用的解决方式采用力学性能更加优异的钛合金或者其他金属合金，这意味着大量牺牲了飞行器、导弹武器的有效载荷，难以满足型号产品的设计指标和任务需求。复合材料作为当代新型材料的主要发展方向和研究热点，随着材料性能的不断提高、应用范围的不断扩大，目前已广泛应用于航空航天、船舶、交通、能源、建筑、运动装备等领域。目前普遍应用的复合材料按照基体材料主要分为三类，分别为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。而金属基复合材料主要为铝、钛类为基体材料，TiB、TiC、SiC等为增强体，以铝元素为基体材料、碳纤维为增强体的复合材料几乎难以发现。鉴于产品需求和材料能力之间显著差距，急需开发一种热压强化制备复合材料的方法，满足当前飞行器、导弹武器在复杂严酷工况下轻量化设计需求。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种降低了飞行器壳体对产品原始材料性能的需求，采用传统的铸造镁合金或者变形镁合金即可实现在产品级阶段对结构件进行按需强化的热压强化制备复合材料的方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：本专利技术首先提供了一种热压强化制备复合材料的装置，该装置包括衬板、外侧抱箍和高频感应线圈；复合材料基体套设在所述的衬板外，复合材料增强体铺设在所述的基体外，所述的外侧抱箍设于增强体外，所述的高频感应线圈设于外侧抱箍外侧。基体在衬板和外侧抱箍的内外支撑作用以及高频感应线圈加热环境下，再通过向外侧抱箍施加外部压力将增强体压入半固态状态的基体，在冷却完成后达到提高基体强度、抗拉性能等目的。进一步地，所述的衬板的数量为3-6块，各个衬板之间间隙不大于0.1mm，衬板厚度不小于芯法兰与内撑环法兰面半径之差。进一步地，所述的衬板内设有内撑环，该内撑环下方设有卡盘底座，内撑环通过卡盘底座将基体整体内撑夹紧并准确定位。卡盘夹紧扭矩不低于150N·m。进一步地，所述的内撑环上方还设有防止高温下内撑环弯曲变形的内芯。进一步地，所述的内芯上还设有芯法兰，该芯法兰与内撑环通过螺栓紧固。内芯可以防止在高温环境下，内撑环发生弯曲变形，影响热压强化质量。进一步地，所述的内撑环的内径与内芯的外径相配合，内撑环与内芯的间隙不大于0.08mm。进一步地，所述的衬板、内撑环或内芯的材料为Invar36低膨胀合金。进一步地，所述的增强体的织造类型为平纹或梭织型，空隙率为45-75％，包括碳纤维织布。增强体铺层数量依据设计要求铺设，同时必须在最外层铺设牺牲层，牺牲层数量由总碳纤维织布铺层数量控制在10-45％之间，用于最终产品精加工去除。进一步地，所述的基体为铝合金筒段。进一步地，所述的外侧抱箍的数量为3-6块，各个外侧抱箍之间通过螺栓连接，外侧抱箍表面粗糙度低于Ra0.4。防止在碳纤维表面产生微裂纹。外侧抱箍的紧固扭矩通过螺栓调节，由基体外径、增强体铺层数量、织物类型、空隙率和加热温度共同决定。本专利技术还提供了一种热压强化制备复合材料的方法，该方法包括以下步骤：(1)将基体加工至设计尺寸，同时内型面不保留余量，外型面保留余量；余量值为基体挤压塑性流动后外径膨胀量与增强体铺层牺牲层厚度之和；(2)将基体套设在衬板上，并将基体内撑夹紧，然后在基体外侧表面铺设增强体；(3)利用外侧抱箍将铺设增强体的基体整体抱箍，通过螺栓调节外侧抱箍的紧固扭矩，紧固扭矩由基体外径、增强体铺层数量、织物类型、空隙率和加热温度共同决定；(4)将高频感应线圈置于外侧抱箍外侧，进行加热，确保基体外表面呈现半固态状态，使增强体压入表层半固态状态的基体；(5)降温至室温，然后拆除高频感应线圈、外侧抱箍、内撑环和衬板，再以内型面为定位基准，精加工外型面，得到复合材料。进一步地，所述的基体为铝合金筒段；所述的增强体的织造类型为平纹或梭织型，空隙率为45-75％，包括碳纤维织布。进一步地，所述的衬板数量为3-6块，衬板厚度不小于芯法兰与内撑环法兰面半径之差；所述的外侧抱箍的数量为3-6块，各个外侧抱箍之间通过螺栓连接，外侧抱箍表面粗糙度低于Ra0.4。进一步地，所述的加热温度为550-580℃，增强体压入表层半固态状态的基体所需时间为3-4h。进一步地，步骤(2)具体为：(2-1)将衬板拼接完成；(2-2)将基体套设在衬板上；(2-3)将内撑环插入到衬板以内，再将卡盘底座与内撑环穿插抵接，通过卡盘底座将基体整体内撑夹紧并准确定位，卡盘底座为车床三爪卡盘改造而成，卡爪通过卡盘体导槽实现径向扩张并夹紧；由于复合材料壳体使用工况要求，需要在壳体后端强化作用高于前端，即需要在复合材料在壳体后端产生更多的嵌入量以实现强化作用。而卡盘底座主要作用在于给内撑环预加一定挠度，使得在复合材料壳体底部产生一定过盈量，进而在高温半固态作用下镁合金壳体后端与碳纤维产生更多的嵌入量，以满足设计指标的要求；(2-4)在内撑环内部安装内芯；(2-5)在基体外侧表面铺设增强体。进一步地，步骤(2-1)中各个衬板之间间隙不大于0.1mm；步骤(2-3)中所述内撑夹紧的夹紧扭矩为150-300N·m。进一步地，步骤(2-4)中所述的内撑环的内径与内芯外径相配合，内撑环与内芯间隙不大于0.08mm；步骤(2-5)中所述的增强体在最外层铺设牺牲层，牺牲层数量为总增强体铺层数量的10-45％，用于最终产品精加工去除。进一步地，步骤(4)具体为：(4-1)将高频感应线圈置于外侧抱箍外侧，进行加热；(4-2)每间隔一段时间调节螺栓，校验外侧抱箍的紧固扭矩，使其达到要求值；(4-3)重复调节几次后，增强体压入表层半固态状态的基体中。进一步地，步骤(4-2)中所述间隔的时间为20-40min，所述的紧固扭矩维持在150-160N·m之间。进一步地，步骤(4-3)中所述的重复调节次数为6-8次。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术首先提供了一种热压强化制备复合材料的装置，使得基体在衬板和外侧抱箍的内外支撑作用以及高频感应线圈加热环境下，再通过向外侧抱箍施加外部压力将增强体压入半固态状态的基体，在冷却完成后达到提高基体强度、抗拉性能等目的；(2)由于复合材料壳体使用工况要求，需要在壳体后端强化作用高于前端，即需要在复合材料在壳体后端产生更多的嵌入量以实现强化作用。而卡盘底座主要作用在于给内撑环本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热压强化制备复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n(1)将基体(4)加工至设计尺寸，同时内型面不保留余量，外型面保留余量；/n(2)将基体(4)套设在衬板(3)上，并将基体(4)内撑夹紧，然后在基体(4)外侧表面铺设增强体(5)；/n(3)利用外侧抱箍(6)将铺设增强体(5)的基体(4)整体抱箍，通过螺栓调节外侧抱箍(6)的紧固扭矩；/n(4)将高频感应线圈(8)置于外侧抱箍(6)外侧，进行加热，使增强体(5)压入表层半固态状态的基体(4)；/n(5)降温至室温，然后拆除高频感应线圈(8)、外侧抱箍(6)、内撑环(2)和衬板(3)，再以内型面为定位基准，精加工外型面，得到复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种热压强化制备复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将基体(4)加工至设计尺寸，同时内型面不保留余量，外型面保留余量；
(2)将基体(4)套设在衬板(3)上，并将基体(4)内撑夹紧，然后在基体(4)外侧表面铺设增强体(5)；
(3)利用外侧抱箍(6)将铺设增强体(5)的基体(4)整体抱箍，通过螺栓调节外侧抱箍(6)的紧固扭矩；
(4)将高频感应线圈(8)置于外侧抱箍(6)外侧，进行加热，使增强体(5)压入表层半固态状态的基体(4)；
(5)降温至室温，然后拆除高频感应线圈(8)、外侧抱箍(6)、内撑环(2)和衬板(3)，再以内型面为定位基准，精加工外型面，得到复合材料。


2.根据权利要求1所述的一种热压强化制备复合材料的方法，其特征在于，所述的基体(4)为铝合金筒段；所述的增强体(5)的织造类型为平纹或梭织型，空隙率为45-75％，包括碳纤维织布。


3.根据权利要求1所述的一种热压强化制备复合材料的方法，其特征在于，所述的衬板(3)数量为3-6块；所述的外侧抱箍(6)的数量为3-6块，各个外侧抱箍(6)之间通过螺栓连接，外侧抱箍(6)表面粗糙度低于Ra0.4。


4.根据权利要求1所述的一种热压强化制备复合材料的方法，其特征在于，所述的加热温度为550-580℃，增强体(5)压入表层半固态状态的基体(4)所需时间为3-4h。


5.根据权利要求1所述的一种热压强化制备复合材料的方法，其特征在于，步骤(2)具体为：
(2-1)将衬板(3)拼接完成；
(2-2)将基体(4)套设在衬板(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦文津，周井文，任培强，肖静文，郑方志，殷伟，刘星，金超，
申请(专利权)人：上海航天智能装备有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31