一种碳纤维复合材料格栅的成型方法与流程

本发明涉及一种复合材料成型方法技术领域，尤其涉及一种碳纤维复合材料格栅的成型方法。

背景技术：

碳纤维复合材料具有可设计性及高比强度、比模量，耐腐蚀，抗疲劳性能好等优点，越来越多的应用于航空航天、轨道交通、船舶、文体等领域，兼顾使用性能及减重效果。

格栅可以用于控制气流方向，有迫切的减重需求。对于有复杂曲率的复合材料格栅，使用传统钢或铝芯模在制造过程存在脱模困难的问题，强行脱模损伤制件。目前普遍使用硅橡胶芯模来解决，但是由于软膜在受热膨胀过程中与织物紧密贴合，制品的表面会呈现出织物特有的凹凸感，粗糙度很差，无法满足作为气动面要求。而且，硅橡胶在受热时膨胀不均匀，固化后的制件在纵横筋方向上直线度超差，无法正常使用。常用的热压罐成型工艺，设备成本及使用费用高，贴袋面表面粗糙度高，加工量大，批量生产成本过高。

碳纤维复合材料格栅主要用于航空、汽车等领域气流方向的定向控制。格栅结构主要由80个不同尺寸规格的格子组成，因为格栅的结构复杂，所以格栅成型的模具更加复杂，成型也较困难。中国专利文献（申请号：200910050994.7）公开了一种复合材料栅格，航空飞机控速用复合材料叶片格栅的成型方法，采用在硅橡胶软模上手工铺层，铺层用材料为预浸无维布，铺层后装模在热压罐中固化，采用上述工艺存在如下缺点：

1、采用预浸无维布铺层，预浸布存在一定的粘性，为了同时保证格栅结构的纵向和横向强度满足要求，采用了多种角度的铺层(0°、45°、90°)，操作比较困难。

2、使用预浸布铺层压缩比较大，1.5mm的产品铺层后的厚度达到2.2mm，而格栅格子多，过多的压缩量容易造成装模困难；

3、采用硅橡胶软模辅助成型，装模过程中压缩量产生无规律的挤压变形，导致产品固化直线度超差，造成产品报废。

因此，现在有必要提供一种复合材料格栅的液体成型方法，满足格栅腔体作为气动面的需求，解决现有方法成型的格栅制品直线度超差及脱模困难的问题，同时降低了成本。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，提供一种复合材料格栅的液体成型方法，满足格栅腔体作为气动面的需求，解决现有方法成型的格栅制品直线度超差及脱模困难的问题，同时降低了成本。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：碳纤维复合材料格栅的成型方法，具体包括以下步骤：

（1）芯模成型：选取低熔点合金并采用浇注成型或使用多轴数控机床或激光成型机设备成型，制得芯模，待用；

（2）碳纤维织物的铺贴：将下料后的织物按照铺层设计依次在芯模上进行铺贴；

（3）合模：组装芯模预制体，并将组装后的芯模放入所述芯模模具定位槽中，然后使用压机合模；

（4）注胶：从出胶口对所述芯模模具内部抽真空，且将进胶口连接RTM注胶机，抽真空注射树脂和固化剂；

（5）固化：加热所述芯模模具，将树脂进行升温及保温实现固化；

（6）脱模：待所述芯模模具冷却后，拆分上下模，将带着芯模的制件取出，并去除残渣；

（7）加工：修边，加工装配孔。

采用上述技术方案，在现有方法的基础上，解决了表面质量和脱模难度的矛盾，满足了气动面的使用要求。本发明使用的低熔点合金芯模，由于可重复利用，降低了模具成本，采用RTM工艺制造，制品表面光洁度高，加工量少，制造成本低；根据上述方法成型的复合材料格栅，其表面粗糙度达到Ra1.6，满足气动面的使用要求，直线度小于1mm/m，满足装配要求；脱模过程无任何障碍，且低熔点合金芯模定位准确、膨胀量远小于硅橡胶，多批次生产的尺寸稳定性远高于硅橡胶芯模；其中利用RTM（树脂传递模塑）工艺制作格栅，采用干织物（缎纹，横向强度和纵向强度可设计）预制成型，然后RTM注胶完成格栅成型；可以同时保证两个方向的强度，且铺层服帖、压缩比较小、装模挤压力较小，制作产品孔隙率小、产品纵横方向直线度高。

进一步改进在于，所述步骤（6）后还包括后固化步骤，将步骤（6）中取出的制件重新装入所述芯模模具中，合模后再加热，保温时间为2~4h，待所述芯模模具冷却后再二次脱模。

进一步改进在于，所述步骤（3）中的组装芯模预制体后，并将组装后的芯模放入所述芯模模具定位槽中，具体过程为：每在定位板上放入一个芯模则塞入一块横筋，完成一列后放纵筋。

进一步改进在于，所述步骤（1）中的芯模成型采用浇注成型的过程为：将低熔点合金加热熔化成熔液，把芯模模具和浇口一起预热，然后将所述熔液顺浇口缓缓倒入所述芯模模具，再冷却脱模，切除浇口的成型部位并打磨切割区域。

进一步改进在于，所述步骤（1）中的所述低熔点合金的熔点高于树脂的固化温度低于树脂的玻璃化转变温度（Tg）。

进一步改进在于，所述步骤（1）中的所述低熔点合金的加热熔化温度在其熔点20℃以上，所述芯模模具及浇口预热温度加热至高于合金熔点1~20℃。实际操作中在保证芯模表面质量的前提下，选取效率最高的温度组合。

进一步改进在于，所述步骤（1）中的所述浇口的高度高于芯模模具的上表面至少3cm，所述浇口的位置对应所述芯模的非成型面。

进一步改进在于，所述步骤（2）所述的铺层设计为每铺4层定型一次。每层织物的选取由制品厚度及强度校核的结果确定。

进一步改进在于，所述步骤（5）中的固化温度为60~150℃，保温时间为1~5h，所述芯模模具的升温速率不大于1.5℃/min。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

（1）本发明成型的制品满足气动面的使用要求，大大简化了脱模难度，同时也保证了制品的直线度；

（2）适用性广，可成型各种曲率复杂的格栅制件，低熔点合金种类丰富，可以满足不同树脂的成型要求；

（3）低熔点合金浇注方便且可重复使用，成型的制件加工量少，成本低；

（4）该方法成型出的制品美观、厚度均匀、强度高、刚度大；

（5）芯模定位准确，膨胀量小，多批次生产的尺寸稳定性好。

附图说明

下面结合附图进一步描述本发明的技术方案：

图1是本发明的碳纤维复合材料格栅腔体的工程视图；

图2是本发明碳纤维复合材料格栅的工程视图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例1：如图2所示，是本发明成型的复合材料格栅制件，格栅由80个大小尺寸规格不同的格子组成；由于格栅的每个格子大小规格尺寸各不相同，以传统的金属硬模铺层成型，脱模困难，工艺复杂；以硅橡胶芯模成型，无法保证制品尺寸精度。

本发明的碳纤维复合材料格栅的成型方法，具体包括以下步骤：

（1）芯模成型：首先选取的树脂的固化温度为80℃，Tg为123℃，因此选取熔点为90℃的低熔点合金；采用浇注成型方法，具体的：将芯模模具及浇口预热至95℃，低熔点合金熔化后加热至105℃，搅拌均匀，随即将熔液顺浇口缓缓倒入模具中直至注满浇口；然后冷却、脱模，使用切割设备将浇口切除，打磨切割区域；所述浇口的高度高于芯模模具的上表面至少3cm，所述浇口的位置对应所述芯模的非成型面；

（2）碳纤维织物的铺贴：将裁好的已定型织物在芯模上铺贴，每铺4层定型一次；纵横筋在平板上完成铺贴，待用；

（3）合模：组装芯模预制体，每在定位板上放入一个芯模则塞入一块横筋，完成一列后放入纵筋，直至安装完毕；用压机将上下盖板合紧，检测气密性，合格后将模具升温至60℃；

（4）注胶：将环氧树脂与固化剂按2:1的质量比混合均匀，预热后放入RTM注胶机脱泡，注胶；

（5）固化：将模具升温至80℃，保温4h，控制模具的升温速率不大于1.5℃/min；

（6）脱模：待模具降温后，将带有芯模的制件取出，使用沸水冲刷，待无芯模残留后干燥即得到制件；

（7）加工：修边，加工装配孔。

实施例2：本发明的碳纤维复合材料格栅的成型方法，具体包括以下步骤：

（1）芯模成型：根据制品的使用温度，选取高温固化的环氧树脂，其固化温度为130℃，后处理温度为170℃，选择熔点为145℃的低熔点合金，使用数控机床直接加工芯模；所述浇口的高度高于芯模模具的上表面至少3cm，所述浇口的位置对应所述芯模的非成型面；

（2）碳纤维织物的铺贴：将裁好的织物在芯模上铺贴，使用专用粘合剂辅助粘贴；纵横筋在平板上完成铺贴，待用；

（3）合模：组装芯模预制体，每在定位板上放入一个芯模则塞入一块横筋，完成一列后放入纵筋，直至安装完毕；用压机将上盖板与下模合紧，检测气密性，合格后将模具升温至100℃；

（4）注胶：将环氧树脂与固化剂按100:35的质量比混合均匀，预热后放入RTM注胶机脱泡，注胶；

（5）固化：将模具升温至130℃，保温2h，控制模具的升温速率不大于1.5℃/min；

（6）脱模：拆分上下模，取出制件，在烘箱中于160℃加热，待芯模熔化后使用抹布擦除残渣；

（7）后固化：将制件重新装入模具，合模后将其加热至170℃保温3h，待模具冷却后脱模；

（8）加工：修边，加工装配孔。

经过检测，根据以上方法成型的复合材料格栅，其表面粗糙度达到Ra1.6，满足气动面的使用要求，直线度小于1mm/m，满足装配要求；脱模过程无任何障碍，且低熔点合金芯模定位准确、膨胀量远小于硅橡胶，多批次生产的尺寸稳定性远高于硅橡胶芯模。

本发明实施例中环氧树脂及其固化剂是本领域所属技术人员的公共常识，它所代表的是热固性树脂下的各类树脂及其固化剂。本发明不局限于上述特定实施方式，在不脱离上述基本技术思想的前提下做出的各种变形或修改，均落在本发明权利保护范围之列。