【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复合材料成形，涉及一种陶瓷基复合材料异形构件裂解维型工装的轻质化设计及快速制备方法。
技术介绍
1、陶瓷基复合材料是一类兼具防热与承载功能的高温复合材料，具有轻质、耐高温、高比强、高比模、抗氧化、抗烧蚀及高温力学性能稳定等显著特点，在航天飞行器舵/翼等高热流部件、火箭发动机喷管、航空发动机调节/密封片等方面获得了大量应用，未来可在航天飞行器大面积舱体、航空发动机涡轮叶片/燃烧室、核反应堆抗辐射材料等领域具有比较广阔的应用前景。尤其在诸如航天飞行器的大面积热防护领域，随着飞行器趋向轻质化、复杂外形发展，对大尺寸薄壁异形陶瓷基复合材料构件的快速研制提出了迫切需求。
2、然而，陶瓷基复合材料制备工艺复杂，复合周期长，一般需要经过多轮次的循环增密和反复高低温热处理过程，整个成型及致密化过程中存在比较大的工艺应力和较大的变形风险，因此，为了防止陶瓷基复合材料构件在高温热处理过程中的变形，通常会采用裂解工装进行维型。因受陶瓷基复合材料热处理温度、制造成本等因素的制约，目前裂解用维型工装的材质一般选择石墨材料。但因石墨材质具有强度低(石墨弯曲强度≤50mpa、拉伸强度≤30mpa)、韧性差的缺点，导致维型工装结构设计比较笨重，给整个热处理过程中的装填数量、升降温传热、设备能耗及拆装模效率均造成了比较严重的影响，且存在部分超大尺寸复合材料构件由于石墨毛坯料尺寸限制导致无法整体成型等尴尬局面。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提出了一种陶瓷基复合材料异形构件裂解维型工装
2、本专利技术提供的陶瓷基复合材料异形构件裂解维型工装，其中，所述陶瓷基复合材料异形构件裂解维型工装由阴模和阳模组成；
3、所述阴模和阳模均采用仿形加筋结构设计，且所述阴模和阳模之间通过楔形凸台及凹槽进行定位，并通过高强碳/碳材质的连接件进行连接。
4、上述陶瓷基复合材料异形构件裂解维型工装中，工装型面设计厚度为3～6mm，具体为4mm；
5、型面背部均布仿形加筋板用以支撑型面；
6、加筋板厚度为6～15mm，具体为8-10mm；
7、高度为100～300mm，具体为150-200mm；
8、筋板相邻间距为200～500mm；具体为300-400mm。
9、本专利技术提供的快速制备所述陶瓷基复合材料异形构件裂解维型工装的方法，包括：
10、1)铺层模具的制备和清理：
11、铺层模具选用耐高温、抗变形的铝材或钢材焊接而成，并按照三维数模进行型面加工，型面轮廓精度要求≤±0.2mm；最后对所述铺层模具进行清理，并均匀涂覆脱模剂；
12、2)预浸料下料：
13、选用高强度碳纤维和高残炭树脂，在60～110℃(具体可为70℃-90℃)下，通过热熔法合成预浸料，采用自动化下料机按照样板进行预浸料下料和分类标识；
14、3)铺层：
15、将所述预浸料按照预先设计的铺层顺序及数量依次分批铺覆在所述步骤1)所得铺层模具的表面，铺层之间均匀喷洒无机填料，且每铺敷5～10层，通过真空袋包覆和真空吸胶压实一次，最后将完成铺层的坯体进行真空袋封装处理；
16、4)固化：
17、将完成铺层和真空袋封装的工装连通铺层模具整体放入热压罐中固化；
18、5)高温处理：
19、将固化后的维型工装平稳放入高温炉中进行高温处理，完成裂解维型工装毛坯的制备；
20、6)机械加工：
21、按照三维数模的形状尺寸，对所述裂解维型工装毛坯进行简单切边处理和型面加工扫平，得到所述陶瓷基复合材料异形构件裂解维型工装。
22、上述方法的步骤2)中，所述预浸料的含胶量为40wt％～60wt％；
23、所述碳纤维选自t300、t700和t800中至少一种；
24、相应碳纤维布的结构形式为平纹、斜纹、缎纹或无纬布；
25、所述高强度碳纤维具体为t700-12k碳纤维平纹布或t300-3k碳纤维斜纹布；
26、所述高残炭树脂为无溶剂、残炭率≥65％的酚醛树脂，且在树脂中添加30wt％～80wt％(具体可为40wt％-70wt％)的无机填料；所述无机填料为碳粉或石墨粉。
27、所述热熔法为常规方法；所用设备为热熔预浸机。
28、所述步骤4)中，固化的条件为：在压力为0～1.0mpa条件下，以0.5～2℃/min的升温速率分阶段升温至160～240℃条件下固化2～6h，然后自由降温至60℃以下脱模。
29、具体可为：
30、在0.8mpa下以0.4℃/min的速率升温至180℃固化3h，然后自由降温至60℃以下脱模；
31、或者，在0.6mpa下以0.5℃/min的速率升温至200℃固化2h，然后自由降温至60℃以下脱模。
32、所述步骤5)中，高温处理的条件为：在氩气或氮气等惰性气氛下，以0.5～2℃/min的升温速率分阶段升温至800～1400℃高温处理1～3h，然后自由降温至100℃以下出炉。
33、具体可为：
34、以0.5℃/min的速率升温至1000℃处理2h，然后自由降温至100℃以下出炉，然后自由降温至100℃以下出炉；
35、或者，以0.6℃/min的速率升温至1200℃处理2h，然后自由降温至100℃以下出炉。
36、本专利技术采用高强度碳纤维和高产率碳基树脂预浸料实现陶瓷基复合材料异形构件裂解维型工装的快速制备，通过连续纤维预浸料仿形铺层固化及高温碳化处理，可以大幅提升异形构件裂解维型工装的高温强度和尺寸稳定性，且可以有效规避大尺寸异形热结构件在传统石墨工装维型状态下热处理时容易产生较大的热失配应力问题，且通过仿形薄壁加筋式的轻质化结构设计，可以实现维型工装的大幅减重，并有效弥补现有石墨材质对超大尺寸、异形陶瓷基复合材料结构件裂解维形的制造尺寸限制；此外，通过裂解维型工装的整体化设计和连接结构优化，可大幅提升拆装模效率、升降温速率及设备利用率，并明显降低能耗，满足陶瓷基复合材料异形构件快速热处理及型面精确控制需求。
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1.一种陶瓷基复合材料异形构件裂解维型工装，其特征在于：所述陶瓷基复合材料异形构件裂解维型工装由阴模和阳模组成；
2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料异形构件裂解维型工装，其特征在于：所述维型工装中，工装型面设计厚度为3～6mm，具体为4mm；
3.一种快速制备权利要求1或2所述陶瓷基复合材料异形构件裂解维型工装的方法，包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述预浸料的含胶量为40wt％～60wt％；
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中，固化的条件为：在压力为0～1.0MPa条件下，以0.5～2℃/min的升温速率，升温至160～240℃条件下固化2～6h，然后自由降温至60℃以下脱模。
6.根据权利要求3-5任一所述的方法，其特征在于：所述步骤5)中，高温处理的条件为：在氩气或氮气气氛下，以0.5～2℃/min的升温速率，升温至800～1400℃高温处理1～3h，然后自由降温至100℃以下出炉。
【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基复合材料异形构件裂解维型工装，其特征在于：所述陶瓷基复合材料异形构件裂解维型工装由阴模和阳模组成；
2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料异形构件裂解维型工装，其特征在于：所述维型工装中，工装型面设计厚度为3～6mm，具体为4mm；
3.一种快速制备权利要求1或2所述陶瓷基复合材料异形构件裂解维型工装的方法，包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述预浸料的含胶量为40wt％～60...
【专利技术属性】
技术研发人员：张国兵，李军平，杨晓光，孙新，杨文彬，袁泽帅，王伟，王俊山，王金明，
申请(专利权)人：航天材料及工艺研究所，
类型：发明
国别省市：
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