一种复合材料支架高质量成型方法与流程

本发明涉及一种复合材料支架高质量成型方法，特别是一种较大尺寸大厚度多腔法兰加筋结构复合材料支架高质量成型方法，属于结构复合材料及工艺领域。

背景技术：

当前，航天领域对新型号提出的减重、高效的要求，使得轻质高强的复合材料的应用日趋广泛，从大型结构舱段发展到舱内零部件。目前，国内已有一些结构舱段用配套零部件进行了复合材料化，如三角撑板、支座、操作口盖等，其形状规则、结构简单、厚度较小、成型工艺简单，主要起一定的连接、支撑作用。

复合材料支架为舱内较大尺寸大厚度异型多腔构件，除对仪器起一定的支撑作用外，同时需承受一定工况下产生的较大载荷，且装配关系较多，设计对其承载能力、内部质量、尺寸精度要求较高。因此如何通过合理的模具设计、成型工艺，解决较大尺寸大厚度多腔法兰加筋结构复合材料支架纤维连续性及对称性铺放、压力的有效施加和均匀传递等问题，实现复合材料支架的高质量、高尺寸精度整体共固化成型，同时满足结构承载能力的要求是亟需解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种复合材料支架高质量成型方法，通过优化模具设计、复合材料铺层设计及中温预压实、模芯更替、固化成型工艺控制技术等，实现复合材料支架的高质量整体共固化成型，满足型号结构减重要求。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种复合材料支架高质量成型方法，采用的成型模具包括n个上格腔阳模、m个下格腔阳模、n个软模、侧挡板、上盖板和下底板，所述n个上格腔阳模、n个软模的形状与待制备支架的n个上格腔的形状相匹配，所述m个下格腔阳模的形状与待制备支架的m个下格腔的形状相匹配，具体成型方法包括如下步骤：

步骤(1)、将预浸料分别铺设在n个上格腔阳模的表面和m个下格腔阳模的表面；

步骤(2)、将完成铺设的预浸料进行加温预压实；

步骤(3)、预压实冷却后拆除n个上格腔阳模，形成n个上格腔预浸料铺层，将n个软模分别放入所述n个上格腔预浸料铺层中；

步骤(4)、将n个上格腔预浸料铺层与m个铺设预浸料的下格腔阳模进行组装，使得上格腔预浸料铺层与下格腔预浸料铺层接触并压紧；

步骤(5)、将下底板分别与m个下格腔阳模和n个软模进行固定连接，侧挡板分别与上盖板、下底板固定连接，形成封闭模腔；

步骤(6)、进行加热固化，固化完成后拆除侧挡板、上盖板、软模和下底板，得到复合材料支架；

所述n、m均为正整数，且n≥2，m≥1。

在上述成型方法中，所述步骤(1)中在n个上格腔阳模的上表面分别铺设预浸料并下翻至其侧表面，下格腔阳模为1个，在下格腔阳模的上表面铺设预浸料并下翻至其侧表面。

在上述成型方法中，所述步骤(1)铺设过程中，每铺设0.5-1mm厚度的铺层进行一次抽真空压实，提高铺层紧实度，压实后对多余的料边进行去除。

在上述成型方法中，所述步骤(2)中预压实的具体方法为：将完成铺设的预浸料采用隔离材料、吸胶材料和真空袋依次包裹后，在烘箱、加热平台或热压罐中进行预压实，保温温度为70-90℃，保温时间为30min-120min。

在上述成型方法中，所述预浸料为碳纤维环氧树脂热熔预浸料，预浸料厚度为0.125-0.20mm，树脂质量百分比含量为30％-38％，挥发份含量≤1％，纤维面密度为130-220g/m²。

在上述成型方法中，所述软模为硅橡胶软模，硅橡胶软模内含金属芯，金属芯与下底板连接。

在上述成型方法中，所述待制备的支架的上格腔体积v1与硅橡胶软模的体积v2之差δv满足：5％＜δv/v1＜12％。

在上述成型方法中，所述步骤(4)中n个上格腔预浸料铺层与1个下格腔预浸料铺层进行组装时，内置n个软模的n个上格腔预浸料铺层依次放置在内置下格腔阳模的下格腔预浸料铺层上部，且n个上格腔预浸料铺层的上表面与下格腔预浸料铺层的上表面接触并压紧，形成待制备支架的腹板，两端的2个上格腔预浸料铺层的外侧表面与下格腔预浸料铺层的外侧表面分别对齐，形成待制备支架的缘板，相邻2个上格腔预浸料铺层之间的侧表面铺层形成待制备支架的筋板；所述内置n个软模的n个上格腔预浸料铺层并排放置在内置下格腔阳模的下格腔预浸料铺层上部。

在上述成型方法中，设待制备支架的腹板厚度为h1，缘板厚度为h2，筋板厚度为h3，则预浸料的铺层厚度为h1，h2，h3中最小值的一半，即铺层厚度为1/2min{h1，h2，h3}。

在上述成型方法中，若腹板厚度h1、缘板厚度h2、筋板厚度h3中腹板厚度h1为最大值，即满足h1≥max{h2，h3}，则需要增加铺设腹板夹芯料，在组装之前进行铺设；若腹板厚度h1、缘板厚度h2、筋板厚度h3中腹板厚度h1为最小值，即满足h1≤min{h2，h3}，则需要增加铺设筋板夹芯料，在组装之前进行铺设。

在上述成型方法中，所述步骤(4)将n个上格腔预浸料铺层与1个下格腔预浸料铺层进行组装后，若两端的2个上格腔预浸料铺层的外侧表面与下格腔预浸料铺层的外侧表面分别对齐后的铺层厚度，小于待制备支架的缘板(11)厚度，则增加外侧表面的预浸料铺层，以满足待制备支架的缘板(11)的厚度要求。

在上述成型方法中，所述侧挡板为两个，均为u型结构，u型结构的端面对齐后形成环形腔体。

在上述成型方法中，所述步骤(6)中固化在烘箱或热压罐中进行，固化升温速率为10～40℃/h，固化温度为150℃～185℃，固化时间为3h～8h。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明采用特殊设计的成型模具进行复合材料支架的制备，通过采用金属铺层上下阳模、金属-硅橡胶(含金属芯)组合加压模、外阴模(上盖板、下底板、侧挡板)，形成封闭模腔，并通过硅橡胶软模、金属芯协同加压，解决外压无法对格腔的筋板施加压力及筋板尺寸精度问题，保证了支架腹板、缘板，尤其是筋板成型的质量及尺寸精度；

(2)、本发明采用金属铺层上下阳模，通过预浸料铺层设计，解决了复合材料支架纤维最大限度连续性问题，满足承载需求；

(3)、本发明通过中温预压实工艺控制、模芯更替、固化成型工艺控制，解决格腔组装精度、整体共固化问题，实现复合材料支架的一次高质量成型；

(4)、本发明根据待制备支架的腹板、缘板和筋板的尺寸关系，设计在铺层过程中增加腹板夹芯料或筋板夹芯料，满足了复合材料支架的成型精度和质量。

(5)、本发明通过对软模结构材料进行优化设计，软模采用硅橡胶，且软模内含金属芯，金属芯通过螺钉或销钉与下底板连接，并给出了待制备支架的格腔体积v1与硅橡胶(含金属芯)体积v2之差δv需要满足的条件，进一步保证了筋板成型的质量及尺寸精度。

(6)、本发明支架与传统金属构件相比减重约30％-50％，满足航天型号轻质化要求。

附图说明

图1为本发明复合材料支架高质量成型方法流程图；

图2为本发明支架成型模具示意图；

图3为本发明成型模具中侧挡板示意图。

图4为本发明复合材料支架铺层示意图；

图5为本发明支架成型模具组装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明复合材料支架高质量成型方法流程图，本发明的复合材料支架的成型方法具体包括如下步骤：

1、成型模具设计制造

复合材料支架依靠金属-硅橡胶组合模具，采用整体成型技术，达到大厚度异型多腔体(格腔并排、非并排并存)复合材料支架一次成型，解决较大尺寸大厚度多腔法兰加筋结构复合材料支架纤维连续性及对称性铺放、压力的有效施加和均匀传递等问题，满足结构承载能力、高质量、高精度的设计要求。

模具设计为封闭、组合式硬模，在复合材料支架并排格腔或非并排格腔内放置硅橡胶软模，硅橡胶软模内含金属芯，通过硅橡胶软模、金属芯协同加压，使复合材料固化过程中各边均匀有效受力，保证了产品高质量成型及尺寸均匀性。待制备复合材料支架包括腹板、缘板、筋板以及形成的上下格腔。

成型模具包括金属硬模和硅橡胶软模(含金属芯)：

(1)金属硬模

根据产品结构形式，设计金属硬模，包括上格腔阳模1(n个分瓣，本实施例中为3个分瓣)、下格腔阳模2(整体或m个分瓣，本实施例中为整体)、侧挡板4(p块侧挡板，侧挡板数量依据产品外型面需求进行设计和分瓣，本实施例中为2个)、上盖板5、下底板6，如图2所示为本发明支架成型模具示意图，其中下格腔阳模2与下底板6可以为一体化设计，上盖板5、下底板6、侧挡板4通过螺栓机械连接，上盖板5、下底板6连接后形成的腔体高度满足待制备复合材料支架高度尺寸要求。

上格腔阳模1与下格腔阳模2以腹板厚度中心线位置进行对称式分瓣，然后上阳模再以格腔进行再分瓣，分瓣原则为以筋板厚度中心线位置进行对称式分瓣。保证筋板与腹板的纤维连续性铺放。上格腔阳模1仅用于铺层，下格腔阳模2用于铺层和固化。

如图3为本发明成型模具中侧挡板示意图，本发明实施例中侧挡板4为两个，为u型结构，u型结构的端面对齐后形成环形腔体，上盖板5与下底板6分别位于环形腔体的上端面与下端面，侧挡板4的内型面根据待制备支架的外形设计，可以为弧形挡板4-1、波浪形挡板4-2等，如图3所示。

(2)硅橡胶软模(含金属芯)

硅橡胶软模3尺寸设计依据格腔尺寸、形状、复合材料支架成型压力和硅橡胶膨胀特性进行。根据大量试验和研究，待成型支架格腔体积v1与硅橡胶软模3(含金属芯)的体积v2之差δv满足：5％＜δv/v1＜12％，提供成型压力p，0.4mpa＜p＜1.5mpa。硅橡胶软模3内含金属芯3-1，金属芯3-1通过螺钉或销钉3-2与下底板6连接。

n个上格腔分瓣阳模1、n个硅橡胶软模3的形状与待制备的支架的n个上格腔的形状相匹配，下格腔阳模2的形状与待制备的支架的下格腔的形状相匹配。

2、预浸料制备

制备碳纤维/环氧树脂热熔预浸料，热熔预浸料的质量指标为预浸料厚度0.125-0.20mm，树脂质量百分比含量30％-38％，挥发份含量≤1％，纤维面密度130-220g/m²。

3、预浸料下料

按照待制备支架尺寸，采用自动下料机对预浸料进行裁剪下料。

4、阳模铺层

如图4所示为本发明复合材料支架铺层示意图；在n个上格腔分瓣阳模1的上表面分别铺设预浸料并下翻至铺设在其侧表面，在下格腔阳模2的上表面铺设预浸料并下翻至铺设在其侧表面。即铺层时形成腹板的预浸料下翻至缘板，保证腹板预浸料与缘板预浸料纤维连续。如图4所示，包括上格腔阳模铺层20，下阳模铺层21，缘板铺层22，腹板夹芯料铺层23，筋板夹芯料铺层24。

每铺设0.5-1mm厚度的铺层进行一次抽真空压实，提高铺层紧实度，压实后对多余的料边进行去除。

如图5所示为本发明支架成型模具组装示意图；预浸料铺层与1个下格腔预浸料铺层进行组装时，内置n个软模3的n个上格腔预浸料依次并排放置在内置下格腔阳模2的下格腔预浸料铺层上部，且n个上格腔预浸料铺层的上表面与下格腔预浸料铺层的上表面接触并压紧，形成待制备支架的腹板10，两端的2个上格腔预浸料铺层的外侧表面与下格腔预浸料铺层的外侧表面分别对齐，形成待制备支架的缘板11，相邻2个上格腔预浸料铺层之间的侧表面铺层形成待制备支架的筋板12。如图5所示。

设待制备支架的腹板10的厚度为h1，缘板11的厚度为h2，筋板12的厚度为h3，则预浸料的铺层厚度为h1，h2，h3中最小值的一半，即铺层厚度为1/2min{h1，h2，h3}。

若腹板厚度h1、缘板厚度h2、筋板厚度h3中腹板厚度h1为最大值，即满足h1≥max{h2，h3}，则需要增加铺设腹板夹芯料13，在组装之前进行铺设；若腹板厚度h1、缘板厚度h2、筋板厚度h3中腹板厚度h1为最小值，即满足h1≤min{h2，h3}，则需要增加铺设筋板夹芯料14，在组装之前进行铺设。

复合材料支架铺层时，依据腹板、缘板、筋板厚度特点，尽量保证纤维的连续性及对称性铺放，提高产品承载能力，如图4所示。若复合材料支架腹板厚度h1(4mm≤h1≤20mm)，缘板厚度h2，筋板厚度h3，将腹板与筋板厚度差δh1单独铺覆成夹芯料，1/2min{h1，h2，h3}腹板上面与上缘板及筋板进行预浸料连续铺放，1/2min{h1，h2，h3}腹板下面与下缘板进行预浸料连续铺放。若h1≥max{h2，h3}，则夹芯料为腹板夹芯料，可实现筋板与腹板纤维100％连续，腹板与缘板纤维h2/h1*100％连续；若h1为最小厚度，h1≤min{h2，h3}，则夹芯料为筋板夹芯料，可实现筋板与腹板纤维h1/h3*100％连续，腹板与缘板纤维100％连续。

5、中温预压实

产品的大厚度铺覆易造成预浸料压实程度不足，固化前产品型面较差、压缩量较大(15-25％)、固化时多余料挤出产生架空等，致使固化时压力无法均匀有效传递，造成产品出现大面积缺陷(缺陷百分比大于3.5％)、厚度偏差大于10％，无法满足设计技术指标要求。另外，成型过程中涉及格腔阳模与硅橡胶软模的替换及格腔的组装，由于铺层料预聚程度低，料偏软，脱模困难，且料压实程度差，易造成组装位置偏差、组装质量差等问题，严重影响产品的成型质量。因此在成型过程中必须对产品进行预压实。

将产品采用隔离材料、吸胶材料、真空袋包裹后，在烘箱、加热平台或热压罐中进行预压实，保温温度70-90℃，保温时间30min-120min。

6、模芯更替

预压实待冷却后，预压实冷却后拆除n个上格腔分瓣阳模1，形成n个预浸料上格腔，将n个硅橡胶软膜3分别放入n个预浸料上格腔中，硅橡胶软模3与预浸料上格腔之间形成间隙3-3，如图5所示。必要时，可先将上格腔铺层分瓣阳模铺层料产品冷冻1-2h后，将上格腔分瓣阳模1脱出。将硅橡胶软模3(含金属芯)放入格腔中。

7、腔体组装

依据图纸将上格腔铺层料与下格腔铺层料进行组装，侧面对齐，压紧。具体组装参见步骤4，若h1、h2、h3不完全相等，则按照步骤4中具体描述，将腹板夹芯料或筋板夹芯料进行铺放后，再进行组装。

8、缘板剩余料铺层

组装后，若两端的2个上格腔预浸料铺层的最外侧表面与下格腔预浸料铺层的外侧表面分别对齐后的铺层厚度，小于待制备支架的缘板11的厚度，则增加外侧表面的预浸料铺层，以满足待制备支架的缘板11的厚度要求。

9、模具组装

采用螺钉将两块侧挡板4、上盖板5与下底板6连接，即将下底板6与下格腔阳模2进行固定连接，下底板6与n个软膜3固定连接，侧挡板4分别与上盖板5、下底板6固定连接；由于固化前产品压缩量较大，采用弓形夹对外阴模((上盖板、下底板、侧挡板))进行2-4次组装压实，去除多余的料边，使固化前外阴模(上盖板、下底板、侧挡板)充分压紧，组装到位，形成封闭模腔18。

10、加热或加热加压固化

组装后送入烘箱或热压罐中固化。本实施例中固化工艺为升温速率10～40℃/h,固化温度150℃～185℃，固化时间3h～8h。

11、脱模

依次拆除两块侧挡板4、上盖板5、硅橡胶软模3，将产品从下底板6上脱出，清理干净四周的毛边，得到复合材料支架。

本发明制备得到的复合材料支架与传统金属构件相比减重约30％-50％，满足航天型号轻质化要求。

实施例1

产品名称：四腔法兰加筋复合材料支架

产品尺寸：弧长1000mm，腹板厚度h1为10mm，筋板厚度h3为8mm，缘板厚度h2为8mm。铺层设计为筋板与腹板纤维100％连续，腹板与缘板纤维80％连续。铺层预浸料的厚度为1/2min{h1，h2，h3}，即铺层厚度为4mm。且满足h1≥max{h2，h3}，需要增加铺设腹板夹芯料，在组装之前进行铺设。

实施步骤如下：

模具设计为封闭式金属-硅橡胶组合模具，上格腔阳模依据筋板厚度中心线分为3瓣，如图2所示。待成型产品格腔体积v1与硅橡胶(含金属芯)体积v2之差δv＝7％v1。

选用预浸料厚度0.15mm，树脂含量35±3％，挥发份含量≤1％，纤维面密度165±5g/m²。

按照产品尺寸，采用自动下料机对预浸料进行裁剪下料。

在上格腔铺层分瓣阳模及下格腔阳模上进行预浸料4mm铺层，铺层时形成腹板的预浸料下翻至缘板，保证腹板预浸料与缘板预浸料纤维连续。同时铺2mm腹板夹芯料。每0.6mm铺层进行一次抽真空压实，压实后对多余的料边进行去除。

将产品采用隔离材料、吸胶材料、真空袋包裹后，在烘箱中进行预压实，保温温度80-85℃，保温时间45min。

预压实后，将上格腔铺层分瓣阳模铺层料在冰库内冷却1h，将上格腔阳模块脱出。将硅橡胶软模(含金属芯)放入格腔中。

将腹板夹芯料铺放于下格腔铺层料上，然后依据图纸将上格腔铺层料与下格腔铺层料进行组装，侧面对齐，压紧。

完成缘板剩余4mm料铺层。

采用螺钉将两块侧挡板、上盖板与下底板铺层模连接。采用弓形夹对外阴模进行2次组装压实，去除多余的料边，使固化前外阴模充分压紧，组装到位，形成封闭模腔。

组装后送入烘箱或热压罐中固化。固化工艺为升温速率20～30℃/h,固化温度165℃～175℃，固化时间6h。

固化后，依次拆除两块侧挡板、上盖板、硅橡胶软模，将制品从下底板上脱出，清理干净四周的毛边，得到制品。

实施例2

产品名称：六腔法兰加筋复合材料支架

产品尺寸：弧长1500mm，腹板厚度h1为12mm，筋板厚度h3为14mm，缘板厚度h2为12mm。铺层设计为筋板与腹板纤维85.7％连续，腹板与缘板纤维100％连续。铺层预浸料的厚度为1/2min{h1，h2，h3}，即铺层厚度为6mm。满足h1≤min{h2，h3}，则需要增加铺设筋板夹芯料，在组装之前进行铺设。

实施步骤如下：

模具设计为封闭式金属-硅橡胶组合模具，上格腔阳模依据筋板中心线分为5瓣。成型产品格腔体积v1与硅橡胶(含金属芯)体积v2之差δv＝6％v1。

选用预浸料厚度0.15mm，树脂含量35±3％，挥发份含量≤1％，纤维面密度165±5g/m²。

按照产品尺寸，采用自动下料机对预浸料进行裁剪下料。

在上格腔铺层分瓣阳模及下格腔阳模上进行预浸料6mm铺层，铺层时形成腹板的预浸料下翻至缘板，保证腹板预浸料与缘板预浸料纤维连续。同时铺2mm筋板夹芯料。每1mm铺层进行一次抽真空压实，压实后对多余的料边进行去除。

将产品采用隔离材料、吸胶材料、真空袋包裹后，在烘箱中进行预压实，保温温度85-90℃，保温时间30min。

预压实后，将上格腔铺层分瓣阳模铺层料在冰库内冷却2h，将上格腔阳模块脱出。将硅橡胶软模(含金属芯)放入格腔中。

依据图纸将上格腔铺层料与下格腔铺层料进行组装，筋板间夹入2mm筋板夹芯料，侧面对齐，压紧。

完成缘板剩余6mm料铺层。

采用螺钉将两块侧挡板、上盖板与下底板铺层模连接。采用弓形夹对外阴模进行4次组装压实，去除多余的料边，使固化前外阴模充分压紧，组装到位，形成封闭模腔。

组装后送入烘箱或热压罐中固化。固化工艺为升温速率10～15℃/h,固化温度170℃～180℃，固化时间6h。

固化后，依次拆除两块侧挡板、上盖板、硅橡胶软模，将制品从下底板上脱出，清理干净四周的毛边，得到制品。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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。