制作航空旅客座椅用碳纤维复合材料制件的方法与流程

本发明属于航空交通运输设备技术领域，具体涉及一种制作航空旅客座椅用碳纤维复合材料制件的方法。

背景技术：

目前市场上航空旅客经济舱标准三联座座椅普遍采用合金金属材料，虽然能满足安全性能要求，但因材料较重，使得航空成本居高不下。

现有技术中有采用较轻的酚醛树脂为基体的碳纤维复合材料来制作航空旅客座椅的组成部分，如椅背骨架、扶手、餐桌板和装饰板，这些制件一般采用树脂传递模塑法制作而成，如图1所示的工艺原理图，包括如下步骤：步骤1)在模具中铺设碳纤维干布；步骤2)合模具后检查气密性，之后注入固化剂与稀释后液态酚醛树脂混合液，注射充分后，停止注射；步骤3)加热固化，开模具，去毛刺即得制件。但树脂传递模塑法在成型固化过程中酚醛树脂发生缩聚反应，在密闭的模具中产生小分子，不易排除，从而导致制件孔隙率大，降低制件力学性能；并且一般采用frp模具，寿命较低，模具综合寿命超过3000～5000模实属罕见；固化温度也一般在160℃以上，耗费能源；树脂传递模塑法所使用的液态树脂和固化剂也都是挥发性的液体，对人体健康有害。

技术实现要素：

因此，本发明针对现有技术中树脂传递模塑法制作的航空旅客座椅用碳纤维复合材料制件的力学性能差的技术问题，目的之一在于提供一种制作航空旅客座椅用碳纤维复合材料制件的方法，包括如下步骤：

1)将裁切好的片状的环氧树脂基碳纤维预浸料层层包裹在芯轴上，然后抽出芯轴，形成内部中空的预型体；

2)将可膨胀气袋放入步骤1)所得预型体的中空的内部，然后再将预型体放入模具中，闭合模具并锁紧，气袋内充压后，固化成型形成碳纤维复合材料制件——即热压气袋膨胀法。其工艺原理如图2所示。

本发明中所述环氧树脂基碳纤维预浸料中树脂与碳纤维的质量比为33～42：100，有市售产品，例如也可以由山东威海光威复合材料有限公司的9b14阻燃环氧树脂与日本toray的碳纤维丝复合而成。

本发明中所述的气袋可以选用延伸率200％的尼龙材质的气袋，成本较低，且不易漏气。

步骤2)中模具的锁紧压力为3.5-6mpa，例如优选4mpa。所述的固化成型于气袋内压为0.6～1.2mpa下、于120～150℃温度下固化成型30～60min。

步骤1)按照每层的包裹角度为0～±90度，将2片环氧树脂基碳纤维预浸料叠为一层，将裁切好的片状的环氧树脂基碳纤维预浸料层层包裹在芯轴上，共包裹3～8层，所述的包裹角度是指所述环氧树脂基碳纤维预浸料的纤维方向与所述芯轴的轴向的夹角；所述的环氧树脂基碳纤维预浸料包裹在芯轴上的面密度为400～850g/m²。

例如每层的包裹角度可以是±45度、±30度、±22.5度或0度。

在一具体实施方式中，步骤1)中，共包裹7层，第一层的包裹角度为±45度、第二层的包裹角度为0度、第三层的包裹角度为±30度、第四层的包裹角度为0度、第五层的包裹角度为±22.5度、第六层的包裹角度为0度、第七层的包裹角度为±45度。

在本发明中，包裹角度中的“±”是指，以制件的轴线为极坐标的极轴，逆时针方向的角度为“+”，顺时针方向的角度为“-”。环氧树脂基碳纤维预浸料的每层具有2片片料，当一片片料的包裹角度为“+”时，另一片片料的包裹角度即为“-”。

在本发明中，优选地，1)将裁切好的片状的环氧树脂基碳纤维预浸料层层包裹在芯轴上，然后抽出芯轴，形成内部中空的分段预型体；将分段预型体组配成整体预型体，在整体预型体的薄弱处用环氧树脂基碳纤维预浸料进行局部补强，局部补强时的包裹角度范围为0～±90度；

2)将可膨胀气袋放入局部补强后的整体预型体的中空的内部，然后再将整体预型体放入模具中，闭合模具并锁紧，气袋内充压后，固化成型形成碳纤维复合材料制件。

步骤1)将裁切好的片状的环氧树脂基碳纤维预浸料层层包裹在芯轴上，上一层与下一层之间的搭接口进行错位布置，如图3所示。

本发明所述碳纤维复合材料制件可为碳纤维复合材料椅背骨架、碳纤维复合材料扶手、碳纤维复合材料餐桌板或碳纤维复合材料装饰板。

本发明的积极进步效果在于：

a、模具寿命的区别

传统的树脂传递模塑法一般采用原模复制方法制得的frp模具，在生产过程中需要不断的维修、保养(一般5到6模)，且外界环境和工艺温度条件变化都易使得模具开裂、扭曲变形，从而影响其尺寸精度，综合模具寿命超过3000～5000模实属罕见。

本发明的环氧树脂预浸料热压气袋膨胀法采用金属材质模具，不但精确度高，在保证尺寸精度不受影响的情况下，模具寿命可以达到30000～50000模，且金属模具具有再可塑性，与frp模具相比较具有较高质量保证能力。

b、工艺固化温度的区别

树脂传递模塑法中，酚醛树脂基碳纤维复合材料预浸料的成型固化温度为160℃以上。本发明中，环氧树脂基碳纤维预浸料的成型固化温度在120℃左右。因此，本发明方法的生产成本显著降低。

c、工艺可操作性的区别

碳纤维是各向异性材料，在纤维方向上的强度是最大的。本发明的环氧树脂基碳纤维预浸料预先裁切成片状、包裹芯轴获得预型体再经过热压气袋膨胀法固化成型，可以保证设计人员纤维设计意图与实际操作的吻合性，也可以通过有限元分析方法，对碳纤维复合材料制件的薄弱环节进行精确的局部补强可大大节约材料，也使座椅本身的自重减轻，带来巨大效益。

由于其分子结构固有特性，环氧树脂基碳纤维预浸料可以做到粘而不黏，这个特点是酚醛树脂基碳纤维复合材料不具备的优势。由于环氧树脂基碳纤维预浸料较好的可操作性，使形态结构复杂的制件亦能够成功实现。

d、环境保护的区别

本发明的环氧树脂基碳纤维预浸料是基体(即树脂)与碳纤维均匀地结合在一起的片状材料，且黑色、无味，对人体健康无害。而树脂传递模塑法所使用的树脂与固化剂都是易挥发性的液体，在使用过程中有较多对人体有害的气体挥发，对环境不友好。

e、结构强度的区别

碳纤维复合材料制件的质量标准之一就是增强体与基体的致密程度，因为致密程度决定了碳纤维复合材料制件的结构强度。树脂传递模塑法中，不但树脂与固化剂反应过程中产生气体，其模具的密闭性也是产生气泡很重要的因素，这二者的气泡很难排除，直接影响碳纤维复合材料制件的结构强度。

而本发明的环氧树脂基碳纤维预浸料是通过精密设备(具体参见中国专利文献cn201010247577)预先将基体与增强体均匀的混合，保证每一根增强体都会被基体均匀的包围。本发明的热压气袋膨胀法中固化成型时由气袋内的压力可以将环氧树脂基碳纤维预浸料层与层之间的气泡赶出，其结构密度更均匀、致密，碳纤维复合材料制件表现出优异的物理性能即力学性能更佳优越。

附图说明

图1为现有技术中树脂传递模塑法工艺原理图；

图2为本发明的热压气袋膨胀法工艺原理图；

图3为本发明的搭接口进行错位布置示意图；

图4为本发明的碳纤维复合材料分段预型体组装成椅背骨架整体预型体的结构示意图；

图5为本发明的碳纤维复合材料椅背骨架的局部补强示意图；

图6为本发明的碳纤维复合材料扶手的局部补强示意图；

图7为本发明的碳纤维复合材料餐桌板的结构示意图；

图8为本发明的航空旅客座椅结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进。

实施例1轻质高强阻燃碳纤维复合材料椅背骨架

环氧树脂基碳纤维预浸料中，阻燃环氧树脂与碳纤维的质量比为33：100。环氧树脂基碳纤维预浸料为威海光威复合材料有限公司生产，其树脂牌号为9b14，碳纤维丝束为日本东丽生产t700s，可膨胀气袋材质为尼龙66，由厦门新旺新材料有限公司生产。

按照包裹角度分别为±45度、0度、±30度、0度、±22.5度、0度和±45度，将裁切后的2片环氧树脂基碳纤维预浸料叠为一层，然后逐层均匀包裹在芯轴上，共包裹7层，上一层与下一层之间的搭接口进行错位布置，如图3所示，然后抽出芯轴形成内部中空的分段预型体。

将多个分段预型体组装成如图4所示的整体预型体。再如图5所示，搭接口及椅背骨架下端用环氧树脂基碳纤维预浸料局部补强，补强料片数量为11片，其中“1”“2”“3”处用单片环氧树脂基碳纤维预浸料补强，“4”“5”处用用2片即一层的环氧树脂基碳纤维预浸料进行双面补强，补强时的包裹角度为0度。

将可膨胀气袋放入整体预型体的中空的内部。再将整体预型体放入模具中，闭合模具并锁紧，锁紧压力4mpa，于150℃高温和1.2mpa气袋内压下固化成型45min，形成碳纤维复合材料椅背骨架。

实施例2轻质高强阻燃碳纤维复合材料扶手

环氧树脂基碳纤维预浸料中，阻燃环氧树脂与碳纤维的质量比为33：100。环氧树脂基碳纤维预浸料为威海光威复合材料有限公司生产，其树脂牌号为9b14，碳纤维丝束为日本东丽生产t700s，可膨胀气袋材质为尼龙66，由厦门新旺新材料有限公司生产。

按照包裹角度分别为±45度、0度、±45度、0度和±45度，将裁切后的2片环氧树脂基碳纤维预浸料叠为一层，逐层均匀包裹在芯轴上，共包裹5层，上一层与下一层之间的搭接口进行错位布置，如图3所示，然后抽出芯轴形成内部中空的分段预型体。

多个分段预型体组装成整体预型体。再如图6所示，搭接口进行局部补强。“5”处补强2层，每层的包裹角度均为0度；“6”处补强2层，包裹角度分别为±45度、0度。

将可膨胀气袋放入整体预型体的中空的内部。再将整体预型体放入模具中，闭合模具并锁紧，锁紧压力5mpa，于150℃高温和0.6mpa气袋内压下固化成型40min，形成碳纤维复合材料扶手。

实施例3轻质高强阻燃碳纤维复合材料装饰板

环氧树脂基碳纤维预浸料中，阻燃环氧树脂与碳纤维的质量比为42：100。环氧树脂基碳纤维预浸料为威海光威复合材料有限公司生产，其树脂牌号为9b14，碳纤维丝束为日本东丽生产t700s。

按照包裹角度分别为±45度、0度、90度和±45度，将裁切后的2片环氧树脂基碳纤维预浸料叠为一层，逐层均匀包裹在芯轴上，共包裹4层，包裹过程中要求预浸料平顺，然后抽出芯轴形成内部中空的预型体。

将可膨胀气袋放入预型体的中空的内部。再将预型体放入模具中，闭合模具并锁紧，锁紧压力4.5mpa，于150℃高温和0.8mpa气袋内压下固化成型40min，形成碳纤维复合材料装饰板。成型的装饰板毛胚需打磨去毛边及飞刺。

实施例4轻质高强阻燃碳纤维复合材料餐桌板

环氧树脂基碳纤维预浸料中，阻燃环氧树脂与碳纤维的质量比为42：100。环氧树脂基碳纤维预浸料为威海光威复合材料有限公司生产，其树脂牌号为9b14，碳纤维丝束为日本东丽生产t700s。

按照包裹角度及顺序依次分别为±45度、0度、0度和±45，将裁切后的2片环氧树脂基碳纤维预浸料叠为一层，逐层均匀包裹在芯轴上，共包裹4层，包裹料片的过程中要求料片平顺，然后抽出芯轴形成内部中空的预型体。

将可膨胀气袋放入预型体的中空的内部。再将预型体放入模具中，闭合模具并锁紧，锁紧压力4mpa，于135℃高温和1.0mpa气袋内压下固化成型40min，形成碳纤维复合材料餐桌板上壳。

同样方法可以制得碳纤维复合材料餐桌板下壳。

如图7所示，将餐桌板上壳7与下壳8通过胶合pmi泡沫9粘合起来，并胶合航空铝航滑轨10，即可得轻质高强阻燃碳纤维复合材料餐桌板。

实施例5航空旅客座椅的组装

如图8所示

1)将航空铝(如为7075或6061航空铝，密度为2.7克/厘米³)压铸成型的椅腿11与航空铝(如为7075或6061航空铝，密度为2.7克/厘米³)压铸成型的支架12通过铆接或禁锢方式组配成具有一定尺寸、形态的连接体。

2)采用拉挤工艺制得的航空铝横梁13通过开口圆环调节其与横梁13的锁紧程度，并与航空铝压铸成型的椅腿11安装组配。

3)用螺栓锁紧方式将实施例1的碳纤维复合材料椅背骨架14、实施例2的碳纤维复合材料扶手15、实施例4的碳纤维复合材料餐桌板16组装其上得完整的座椅骨架。

4)将聚氨酯阻燃泡沫坐垫17(密度为60～75g/cm³)及聚氨酯阻燃泡沫靠背18先包裹防火布19再包裹装饰布20后，置于座椅骨架上，并用魔术贴卷带固定。

5)座椅侧边及座椅背后安装实施例3的碳纤维复合材料装饰板21得航空旅客座椅。

效果实施例1

将实施例1热压气袋膨胀法制得的环氧树脂基碳纤维复合材料椅背骨架(数量6)与现有的树脂传递模塑法制得的环氧树脂基碳纤维复合材料椅背骨架(数量6)的拉伸性能、弯曲性能及层间剪切强度分别按照gb/t3354-1999、gb/t3356-1999、gb3357-1982标准进行测试，结果如表1所述(所有数据均为6次数据的平均值)。

表1热压气袋膨胀法与树脂传递模塑法制得椅背骨架的结构强度对比

从测试结果中可以看出，同种材料不同工艺获得的碳纤维复合材料制件的力学性能差别很大，采用本发明的热压气袋膨胀法制得的碳纤维复合材料制件在各方面的强度显著地高于树脂传递模塑法。

效果实施例2

经过称量，本发明所得的整个航空旅客座椅重量为37.8kg，比目前市场上铝合金航空旅客座椅平均减重15％～5％，经济效益明显。