一种异形翻边封闭承力框整体成型方法
【专利摘要】一种异形翻边封闭承力框整体成型方法，属于热结构碳/碳复合材料制造技术领域。该方法从承力框的异形、带翻边、封闭型腔的结构特征出发，考虑到部件承力特性，采用基于碳布叠层结构、分步缝合、近净尺寸成型方法，获得整体编织的碳纤维承力框织物，采用液相高压增密工艺技术和分瓣式石墨工装应用技术，实现整体承力框的变形控制和均匀致密化。通过工艺控制和参数优化，提高了材料的力学性能，最终材料密度1.85～1.95g/cm3，拉伸强度200～260MPa，压缩和弯曲强度160～200MPa，层间剪切强度15～20MPa。在保证材料高力学性能的基础上，实现了异形、翻边、封闭承力框整体净尺寸成型，大大提高了部件的承载效能。
【专利说明】
一种异形翻边封闭承力框整体成型方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种异形翻边封闭承力框整体成型方法，属于热结构碳/碳复合材料制造技术领域。
【背景技术】
[0002]碳/碳复合材料以其优异的高温机械性能和热物理性能，如高比强、高比模、高热导、低线膨胀系数、可设计性强、耐热冲击等，一直是先进国家战略导弹弹头如端头、喷管、舱体、控制舵等关键热防护部件最为重要的材料方案之一。然而，随着临近空间技术的发展，对大尺寸主承力热结构材料提出了迫切需求，要求材料由单一防热功能向承力/防热双重功能、由简单外形向复杂外形拓展，并具有优异的高温强度、刚度、抗氧化等综合性能，且可实现大尺寸、复杂形状材料工程可制造。以框/梁为主承力骨架是目前热结构舱段用的典型结构形式。该类承力框不仅起到舱段内纵向绗梁间的载荷分配和维持蒙皮气动外形的作用，还需与内部冷结构连接，搭载诸多关键仪器设备;更重要的是其还需要承担舱段级间、全弹与运载器间的载荷传递功能。热结构承力连接框尺寸较大，结构复杂，存在正负曲率变化、带翻边、封闭型腔等特征。这类承力框整体性能已成为影响热结构舱段性能的关键因素之一，目前这类承力框多采用分体设计思路，即通过各单元件分开复合一加工一装配实现框的制造方式制造。分体框的制造有着较大的缺点:(一)承力框由多个单元件连接而成，使得连接成为薄弱环节；(二)多单元件集成会造成装配面位置纤维不连续，降低承载效能；(三)多单元件的分体制造会大大提高成本，且整体集成使周期变长。
【发明内容】
[0003]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种异形翻边封闭承力框整体成型方法，装配面少，纤维更连续、完整，承载性能更好，同时大大减少了连接件和单元件的数量，降低了成本和周期。
[0004]本发明的技术解决方案是:一种异形翻边封闭承力框整体成型方法，其包括以下步骤:
[0005]I)选用T300-1K或T300-3K聚丙烯腈基碳纤维，编织成缎纹、平纹或斜纹的碳布，编织过程中以经向纱线方向为0°，逆时针旋转分别形成+45°，90°和-45°，随后将碳布按承力框型面展开最大包络尺寸裁剪成碳布块备用；
[0006]2)按承力框三维数学模型制作模具，用于实现碳布的铺放和压紧；
[0007]3)将步骤I)中的碳布块按照预先设计的铺层顺序在步骤2)的模具上进行铺放，铺放基准面为曲面翻边或平面，随后对铺放后的碳布进行压紧缝合，得到织物中间制品；
[0008]4)将步骤3)中的织物中间制品进行翻边处理，翻折出平面部分或曲面翻边，对碳布进行剪裁处理，再对其压紧并缝合，获得异形翻边封闭承力框的整体织物；
[0009]5)按异形翻边封闭承力框整体织物三维尺寸制作材质为石墨的工装，该模具采用分瓣式设计；
[0010]6)将步骤4)得到的承力框整体织物放置于步骤5)的石墨工装上，进行热处理，去除纤维表面的浆剂后形成带石墨工装的碳纤维预制体；
[0011 ] 7)将带石墨工装的碳纤维预制体浸渍沥青，然后进行碳化处理，反复循环形成一定密度的碳/碳在制品；
[0012]8)将步骤7)的碳/碳在制品进行高温热处理；
[0013]9)将步骤8)处理后的碳/碳在制品进行沥青高压浸渍-碳化处理，浸渍压力50MPa以上；
[0014]10)将步骤9)中的碳/碳在制品进行高温热处理；
[0015]11)重复步骤9)?步骤10)进行多次增密，直到材料密度大于等于1.85g/cm3以上，即制得异形翻边封闭碳/碳整体承力框。
[0016]所述步骤3)中，预先设计的铺层顺序为0°/+45° /90° /-45°、0° /+45° /90° /-45° /0°、0°/90°/+45°/0°/90°/-45°、0°/+45°/90°/-45°/0°/-45°/90°/+45°/0°、0°/90°/+45°/
O。/90。/-45。/O。/90。、0。/90。/+45。/O。/O。/-45。/O。/90。或O。/90。/+45。/-45。/O。/90。，碳布块按照预先设计的铺层顺序在45°方向引入纤维，纤维体积含量45%?55%，缝合间距4?1mmο
[0017]所述步骤4)中，对碳布进行剪裁处理的方式如下；
[0018]当碳布由平面部分向曲面部分翻边时，对碳布进行裁剪，对裁剪后留下的缺口进行碳布补强处理；
[0019]当碳布由曲面部A向平面部分翻边时，直接将多余碳布裁剪即可。
[0020]所述步骤6)中热处理的方法为:以200?500°C/h的速率从室温升温至1800?2300C，保温2?3h后自由降温。
[0021]所述步骤7)中，将带石墨工装的碳纤维预制体浸渍沥青的实现方式为为:浸渍温度为160?260°C，浸渍压力为0.1?3MPa，保压时间为5?8h;碳化处理的实现方式为:以50?100 °C/h的速率从室温升温至300 °C，然后以5?50 °C/h的速率升温至650 °C，最后以10?80 0C /h的速率升温至850 0C后，保温2?5h，然后自由降温。
[0022]步骤8)或步骤10)中，高温热处理的方法为:以50?200°C/h的速率从室温升温至800°C，然后以10?50°C/h的速率从800°C升温至1200°C，最后以30?100°C/h的速率从1200°C升温至1800?2300 °C，保温2?5h后，进行降温处理;所述降温处理时，降温速率小于100?200°C/h，直到温度降至900°C，900°C以下自由降温。
[0023]所述步骤9)中沥青高压浸渍-碳化处理的工艺条件为:浸渍压力60?lOOMPa，碳化温度700?900°C，时间为15?20h。
[0024]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:
[0025](I)本发明针对异形翻边承力框，提出了一种基于碳布叠层结构、分步缝合整体成型方法，可以实现承力框近净尺寸成型，与分体框的制造相比，本发明涉及的整体承力框只需要对轮廓尺寸小量加工，纤维更连续、完整，能充分发挥纤维的增强优势，承载性能更好。
[0026](2)本发明采用整体编织的方法制造承力框，相对于分体框而言，不再需要多个单元件连接，避免了分体框连接处的薄弱性，提高了整体承力框的结构可靠性，降低了成本，同时缩短了制造周期。
[0027](3)本发明在织物铺层顺序中增加45°方向纤维，相对于仅有0°和90°方向纤维而言，有利于提高碳/碳复合材料在各个方向的承载能力，保证力学性能的平衡和匹配。
[0028](4)本发明在织物编织过程中，需要对碳布裁剪后的缺口进行补强处理，补偿纤维不连续导致的力学性能下降。
[0029](5)本发明采用分瓣式石墨工装，在解决应力的同时有效保证承力框的尺寸精度，有效解决了整体承力框在复合工艺过程中发生变形甚至开裂的问题。
[0030](6)本发明采用沥青液相高压增密工艺进行复合，发挥了沥青工艺应力小的优势，同时利用沥青的高压浸渍、碳化工序可以实现承力框的高致密度和密度的均匀性。
【附图说明】
[0031 ]图1为本发明方法流程图；
[0032]图2为一种异形翻边封闭承力框示意图，其中(a)为正视图，(b)为剖视图；
[0033]图3为带石墨工装的承力框在制品示意图，其中(a)为正视图，(b)为剖视图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合实施例对本发明作进一步说明。
[0035]本发明从承力框的异形、带翻边、封闭型腔的结构特征出发，考虑到部件承力特性，提出一种基于碳布叠层结构、分步缝合、近净尺寸成型方法，获得整体编织的碳纤维承力框织物。采用液相高压增密工艺技术和分瓣式石墨工装应用技术，实现整体承力框的变形控制和均匀致密化。
[0036]如图1所示，本发明的具体步骤为:
[0037]I)选用国产T300-1K或T300-3K聚丙烯腈(PAN)基碳纤维，编织成碳布(缎纹、平纹或斜纹)，以经向纱线方向为0°，逆时针旋转分别形成+45°，90°和-45°，随后将碳布按承力框型面展开最大包络尺寸裁剪成碳布块备用；
[0038]2)按承力框三维数模制作模具，实现碳布的铺放和压紧作用；
[0039]3)将步骤I)中的碳布块按照设计的铺层顺序在模具进行铺放，铺放基准面可以为曲面翻边或平面(假设承力框为图2所示结构，其中(a)为承力框正视图，(b)为承力框剖视图，则铺放基准面可以为曲面翻边A或平面B)，随后对铺放后的碳布进行压紧缝合，得到织物中间制品；
[0040]碳布按照0/+45/90/-45、0/+45/90/-45/0、0/90/+45/0/90/-45、0/+45/90/-45/0/-45/90/+45/0、0/90/+45/0/90/-45/0/90、0/90/+45/0/0/-45/0/90、0/90/+45/-45/0/90等铺层顺序在45°方向引入纤维，纤维体积含量45 %?55 %，缝合间距4?10mm。
[0041]4)将步骤3)中的织物中间制品进行翻边处理，翻折出平面部分或曲面翻边(以图2所示的结构为例，则翻折出平面部分B或曲面翻边A)，通过对碳布的合理剪裁，再对其压紧并缝合，获得异形翻边封闭框的整体织物。
[0042]对碳布进行剪裁处理的方式如下:
[0043]当碳布由平面部分向曲面部分翻边时，对碳布进行裁剪，对裁剪后留下的缺口进行碳布补强处理；
[0044]当碳布由曲面部A向平面部分翻边时，直接将多余碳布裁剪即可。
[0045]5)按承力框织物三维尺寸制作工装，材质选用石墨，采用分瓣式设计，解决应力的同时保证框的尺寸精度，如果承力框结构如图2所示，则制作的石墨工装如图3所示，其中图3中(a)为带石墨工装的承力框在制品正视图，(b)为剖视图。
[0046]6)将步骤4)中承力框织物防置于步骤5)中石墨工装上，进行一定温度热处理，SP以200?500°C/h的速率从室温升温至1800?2300 °C，保温2?3h后自由降温，去除纤维表面上浆剂后形成碳纤维预制体；
[0047]7)将步骤6)中的带石墨工装的预制体在一定压力下浸渍沥青，浸渍温度为160?260°C，浸渍压力为0.1?3MPa，保压时间为5?8h;然后进行碳化处理，以50?100°C/h的速率从室温升温至300 °C，然后以5?50 °C/h的速率升温至650 °C，最后以10?80 °C/h的速率升温至850°C后，保温2?5h，然后自由降温。反复循环，形成一定密度的碳/碳在制品；
[0048]8)将步骤7)中的一定密度的碳/碳在制品进行高温热处理，控制热处理温度，同时打开孔道利于下一周期增密。高温热处理的方法为:以50?200°C/h的速率从室温升温至800°C，然后以10?50°C/h的速率升温至1200°C，最后以30?100°C/h的速率升温至1800?2300°C，保温2?5h后，进行降温处理;所述降温处理时，降温速率小于100?200°C/h，直到温度降至900°C，900°C以下自由降温。
[0049]9)将步骤8)中的热处理后碳/碳在制品进行沥青高压浸渍-碳化处理，浸渍压力60?lOOMPa，碳化温度700?900°C，时间为15?20h。。
[0050]10)将步骤9)中的碳/碳在制品进行高温热处理(方法同8))，控制热处理温度；
[0051 ] 11)重复步骤9)?步骤10)进行多次增密，直到材料密度达到1.85g/cm3以上，即制得异形翻边封闭碳/碳整体承力框。
[0052]实施例1
[0053]以加工图2所示的承力框结构为例:
[0054]I)选用国产T300-3K PAN基碳纤维编织成斜纹碳布，以经向纱线方向为0°，逆时针旋转分别形成+45°，90°和-45°，随后按承力框型面展开最大包络尺寸裁剪成碳布块备用；
[0055]2)按承力框三维数学模型制作模具，将步骤I)中的碳布块按照0/+45/90/-45的铺层顺序在模具上进行铺放，铺放的基准面选择附图中的曲面翻边A，随后对铺放后的碳布进行压紧缝合，缝合间距5_ X 5mm，得到织物中间制品；
[0056]3)将步骤2)中的织物中间制品进行翻边处理，由曲面部分A向平面部分B翻边，碳布裁剪后留下缺口，根据缺口尺寸进行相应的碳布补强处理，再对其压紧并缝合，缝合间距5_X 5_，获得异形翻边封闭框的整体织物；
[0057]4)按承力框织物三维尺寸制作分瓣式石墨工装，承力框织物放置于石墨工装上，进行热处理，处理工艺为:以300°C/h的速率从室温升温至2100°C，保温2h后，自由降温，去除纤维表面的浆剂后形成预制体。
[0058]5)将步骤4)中的高温处理后预制体放置在浸渍罐中进行沥青浸渍，浸渍温度220°C，压力IMPa，保压时间5h后。对沥青浸渍后的材料进行碳化处理，获得一定密度的碳/碳在制品。碳化工艺曲线为:以100 °C /h的速率从室温升温至300 °C，以50 °C /h的速率从300 °C升温至650°C，以50°C/h的速率从650°C升温至850°C，，850°C时保温2h，自由降温。
[0059]6)将步骤5)中碳化后的在制品进行高温热处理，高温处理的工艺曲线为:以200°C/h的速率从室温升至800°C，以30°C/h的速率从800°C升温至1200°C，以100°C/h的速率从1200°C升至2300°C，2300°C时保温2h;控制降温速率小于200°C/h，直到温度降至900°C，900°(:以下自由降温。
[0060] 7)将步骤6)中的在制品进行沥青高压浸渍-碳化处理，浸渍压力60MPa以上，碳化温度700°C，时间为15h;
[0061 ] 8)重复步骤6)，最高热处理温度调整为2000 °C。
[0062]9)重复步骤7)。
[0063]10)重复步骤8)。
[0064]11)重复步骤7)。
[0065]12)重复步骤6)，最高热处理温度调整为1800°C。
[0066]复合完成后，碳/碳复合材料与石墨模具贴模良好，未发现变形开裂问题。去除石墨模具后获得碳/碳复合材料承力框，这是国内最先研制的具有复杂形状、翻边、封闭型腔特征的整体承力框。从承力框上取样测试了碳/碳复合材料性能，其中材料密度为1.87g/cm3，拉伸强度220MPa，压缩强度165MPa，弯曲强度182MPa，面内剪切强度115MPa，层间剪切强度16MPa。
[0067]实施例2
[0068]以加工图2所示的承力结构为例:
[0069]I)选用国产T300-1K PAN基碳纤维编织成斜纹碳布，以经向纱线方向为0°，逆时针旋转分别形成+45°，90°和-45°，随后按承力框型面展开最大包络尺寸裁剪成碳布块备用；
[0070]2)按承力框三维数学模型制作模具，将步骤I)中的碳布块按照0//90/-45/0/-45/90/0的铺层顺序在夹具上进行铺放，铺放的基准面选择附图中的平面部分B，随后对铺放后的碳布进行压紧缝合，缝合间距8_ X 8mm，得到织物中间制品；
[0071]3)将步骤2)中的织物中间制品进行翻边处理，由平面部分B向曲面部分A翻边，将多余碳布裁剪，再对其压紧并缝合，缝合间距8mm X 8mm，获得异形翻边封闭框的整体织物；
[0072]4)按承力框织物三维尺寸制作分瓣式石墨工装，承力框织物放置于石墨工装上，进行热处理，处理工艺为:以300°C/h的速率从室温升温至2000°C后，保温2h后，自由降温，去除纤维表面的浆剂后形成预制体。
[0073]5)将步骤4)中的高温处理后预制体放置在浸渍罐中进行沥青浸渍，浸渍温度260°C，压力2.5MPa，保压时间7h后。对沥青浸渍后的材料进行碳化处理，获得一定密度的碳/碳在制品。碳化工艺曲线为:以50°C/h的速率从室温升温至300°C，以40°C/h的速率从3000C升温至650°C，以60°C/h的速率从650°C升温至850°C，，850°C时保温2h，自由降温。
[0074]6)将步骤5)中碳化后的在制品进行高温热处理，高温热处理的工艺曲线为:以50°C/h的速率从室温升至800°C，以20°C/h的速率从800°C升温至1200°C，以80°C/h的速率从1200°C升至2300°C，2300°C时保温2h;控制降温速率小于100°C/h，直到温度降至900°C，900°(:以下自由降温。
[0075]7)将步骤6)中的在制品进行沥青高压浸渍-碳化处理，浸渍压力10MPa以上，碳化温度900°C，时间为20h;
[0076]8)重复步骤6)，最高热处理温度调整为2100°C。
[0077]9)重复步骤7)。
[0078]10)重复步骤8)。
[0079]11)重复步骤7)。
[0080] 12)重复步骤8)。
[0081 ] 13)重复步骤7)。
[0082]14)重复步骤6)，最高热处理温度调整为1900°C。
[0083]复合完成后，碳/碳复合材料与石墨模具贴模良好，未发现变形开裂问题。去除石墨模具后获得碳/碳复合材料承力框，这是国内最先研制的具有复杂形状、翻边、封闭型腔特征的整体承力框。从承力框上取样测试了碳/碳复合材料性能，其中材料密度为1.92g/cm3，拉伸强度235MPa，压缩强度180MPa，弯曲强度202MPa，面内剪切强度102MPa，层间剪切强度18MPa。
[0084]本发明从承力框的异形、带翻边、封闭型腔的结构特征出发，考虑到部件承力特性，提出一种基于碳布叠层结构、分步缝合、近净尺寸成型方法，获得整体编织的碳纤维承力框织物。采用液相高压增密工艺技术和分瓣式石墨工装应用技术，实现整体承力框的变形控制和均匀致密化。通过工艺控制和参数优化，提高了材料的力学性能，最终材料密度1.85?1.95g/cm3，拉伸强度200?260MPa，压缩和弯曲强度160?200MPa，面内剪切强度100?130MPa，层间剪切强度15?20MPa。在保证材料高力学性能的基础上，实现了异形、翻边、封闭承力框整体净尺寸成型，大大提高了部件的承载效能。
[0085]与分体框相比，本发明承力框采用整体成型方法，装配面少，纤维更连续、完整，能充分发挥纤维的增强优势，承载性能更好，同时大大减少了连接件和单元件的数量，提高了整体结构的可靠性。
[0086]本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
【主权项】
1.一种异形翻边封闭承力框整体成型方法，其特征在于包括以下步骤: 1)选用T300-1K或T300-3K聚丙烯腈基碳纤维，编织成缎纹、平纹或斜纹的碳布，编织过程中以经向纱线方向为0°，逆时针旋转分别形成+45°，90°和-45°，随后将碳布按承力框型面展开最大包络尺寸裁剪成碳布块备用； 2)按承力框三维数学模型制作模具，用于实现碳布的铺放和压紧； 3)将步骤I)中的碳布块按照预先设计的铺层顺序在步骤2)的模具上进行铺放，铺放基准面为曲面翻边或平面，随后对铺放后的碳布进行压紧缝合，得到织物中间制品； 4)将步骤3)中的织物中间制品进行翻边处理，翻折出平面部分或曲面翻边，对碳布进行剪裁处理，再对其压紧并缝合，获得异形翻边封闭承力框的整体织物； 5)按异形翻边封闭承力框整体织物三维尺寸制作材质为石墨的工装，该模具采用分瓣式设计； 6)将步骤4)得到的承力框整体织物放置于步骤5)的石墨工装上，进行热处理，去除纤维表面的浆剂后形成带石墨工装的碳纤维预制体； 7)将带石墨工装的碳纤维预制体浸渍沥青，然后进行碳化处理，反复循环形成一定密度的碳/碳在制品； 8)将步骤7)的碳/碳在制品进行高温热处理； 9)将步骤8)处理后的碳/碳在制品进行沥青高压浸渍-碳化处理，浸渍压力50MPa以上； 10)将步骤9)中的碳/碳在制品进行高温热处理； 11)重复步骤9)?步骤10)进行多次增密，直到材料密度大于等于1.85g/cm3以上，即制得异形翻边封闭碳/碳整体承力框。2.根据权利要求1所述的一种异形翻边封闭承力框整体成型方法，其特征在于:所述步骤3)中，预先设计的铺层顺序为0° /+45° /90° /-45°、0° /+45° /90° /-45° /0°、0° /90° /+45° /0°/90°/-45°、0°/+45°/90°/-45°/0°/-45°/90°/+45°/0°、0°/90°/+45°/0°/90°/-45°/0°/90°、0° /90° /+45° /0° /0° /-45° /0° /90° 或0° /90° /+45° /-45° /0° /90°，碳布块按照预先设计的铺层顺序在45°方向引入纤维，纤维体积含量45%?55%，缝合间距4?10mm。3.根据权利要求1所述的一种异形翻边封闭承力框整体成型方法，其特征在于:所述步骤4)中，对碳布进行剪裁处理的方式如下； 当碳布由平面部分向曲面部分翻边时，对碳布进行裁剪，对裁剪后留下的缺口进行碳布补强处理； 当碳布由曲面部A向平面部分翻边时，直接将多余碳布裁剪即可。4.根据权利要求1所述的一种异形翻边封闭承力框整体成型方法，其特征在于:所述步骤6)中热处理的方法为:以200?500°C/h的速率从室温升温至1800?2300°C，保温2?3h后自由降温。5.根据权利要求1所述的一种异形翻边封闭承力框整体成型方法，其特征在于:所述步骤7)中，将带石墨工装的碳纤维预制体浸渍沥青的实现方式为为:浸渍温度为160?260°C，浸渍压力为0.1?3MPa，保压时间为5?8h;碳化处理的实现方式为:以50?100 °C /h的速率从室温升温至300°C，然后以5?50°C/h的速率升温至650°C，最后以10?80°C/h的速率升温至850 C后，保温2?5h，然后自由降温。6.根据权利要求1所述的一种异形翻边封闭承力框整体成型方法，其特征在于:步骤8)或步骤10)中，高温热处理的方法为:以50?200°C/h的速率从室温升温至800°C，然后以10?50°C/h的速率从800°C升温至1200°C，最后以30?100°C/h的速率从1200°C升温至1800?2300°C，保温2?5h后，进行降温处理;所述降温处理时，降温速率小于100?200°C/h，直到温度降至900°C，900°C以下自由降温。7.根据权利要求1所述的一种异形翻边封闭承力框整体成型方法，其特征在于:所述步骤9)中沥青高压浸渍-碳化处理的工艺条件为:浸渍压力60?lOOMPa，碳化温度700?900°C，时间为15?20h。
【文档编号】C04B35/83GK106083122SQ201610402384
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】张中伟, 冯志海, 张震, 王俊山, 房金铭, 王捷冰
【申请人】航天材料及工艺研究所, 中国运载火箭技术研究院