复合材料构件固化工艺及复合材料制件的制作方法

本发明属于材料领域，涉及一种复合材料构件固化工艺及复合材料制件，尤其涉及一种在振动预处理及低压环境下的复合材料构件固化工艺及基于该固化工艺制备得到的复合材料制件。

背景技术

复合材料制件因其诸多优点被广泛的应用于航空航天等高新领域，但孔隙的存在将会严重影响复合材料制件在实际工程中使用的安全性和可靠性。因此，航空标准中要求复合材料制件内部的孔隙率低于1％，其他行业中要求孔隙率低于5％。目前，减少复合材料制件孔隙率的方式主要是利用热压罐高压工艺，在高压环境中完成低孔隙率的复合材料制件成型。然而，该工艺依旧存在制造本高、使用危险、能耗高以及固化压力及其均匀性要求高导致的成型制造难度大等工程实际问题。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种在低固化压力下可明显降低复合材料制件的孔隙率、提高复合材料制件性能、可实现大型复合材料制件安全、高效及节能地成型固化的复合材料制件固化工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种复合材料构件固化工艺，其特征在于：所述复合材料构件固化工艺包括以下步骤：

1)将待加工的复合材料制件在振动实验平台中加热及保温处理；

2)在加热及保温的过程中，通过振动实验平台向待加工的复合材料制件提供振动；

3)振动结束后，通过振动实验平台向待加工的复合材料制件施加低压；

4)在施加低压的过程中，对待加工的复合材料制件进行二次升温并完成待加工的复合材料制件的后续固化。

作为优选，本发明所采用的步骤1)中的加热及保温处理的具体实现方式是：将待加工的复合材料制件在振动实验平台中从30℃加热至80℃，保温30min。

作为优选，本发明所采用的步骤1)中将待加工的复合材料制件在振动实验平台中以1.5℃/min的升温速率从30℃加热至80℃。

作为优选，本发明所采用的步骤2)中的振动是5g-20g，g＝9.8m/s。

作为优选，本发明所采用的步骤3)中的低压是0mpa-0.2mpa。

作为优选，本发明所采用的步骤4)中的二次升温是对待加工的复合材料制件从80°加热至180°，保温120min。

作为优选，本发明所采用的步骤4)中的二次升温是对待加工的复合材料制件以1.5℃/min的升温速率从80°加热至180°。

作为优选，本发明所采用的加热、保温及二次升温均采用镍铬合金电热丝加热器进行加热或保温。

作为优选，本发明所采用的振动实验平台的振动频率区间10hz-2000hz；所述振动实验平台的温度区间-70℃-200℃；所述振动实验平台的振动加速度不大于50g，g＝9.8m/s。

一种基于如上所述的复合材料构件固化工艺制备得到的复合材料制件。

本发明的优点是：

本发明提供了一种复合材料构件固化工艺及复合材料制件，该方法包括1)将待加工的复合材料制件在振动实验平台中加热及保温处理；2)在加热及保温的过程中，通过振动实验平台向待加工的复合材料制件振动；3)振动结束后，通过振动实验平台向待加工的复合材料制件施加低压；4)在施加低压的过程中，对待加工的复合材料制件进行二次升温并完成待加工的复合材料制件的后续固化。本发明针对高性能大型复材制件对固化压力及其均匀性要求高导致的成型制造难度大的问题，提出了复合材料制件“振动预处理+低压固化”的成型新工艺。从孔隙率方面而言，复合材料制件经过5g、10g、15g、20g的随机振动处理并在0pma压力区间固化后，孔隙率分别为：0.67％、0.48％、0.85％、1.51％。经过随机振动处理的复合材料制件在0pma压力固化后，内部的孔隙率接近1％。随机振动加速度为10g时，相对于无振动处理的0mpa制件，制件内部消除了分层现象，孔隙率从5.17％降到0.48％。当后续工艺的外部压力达到0.1mpa时孔隙率分别为：0.62％、0.26％、0.73％、0.88％。经过振动处理并在0.1pma压力区间固化后，制件内部孔隙率整体小于1％，其中随机振动加速度为10g时制件内部的孔隙率达到最小为0.26％，可达到热压罐0.6mpa固化成形制件的效果。当后续工艺的外部压力达到0.2mpa时孔隙率分别为：0.6％、0.28％、0.66％、0.67％，相对于无振动处理的0.2mpa制件，制件内部孔隙率可从2.2％下降到0.25％，降幅达到87.2％。从层间剪切性能对比分析，0.6mpa无振动预处理的制件平均层间剪切强度为79.9mpa。5g、10g、15g、20g四个振动加速度在0.2mpa下成形的制件，层间剪切强度的变化趋势为：77.1mpa、81.69mpa、76.91mpa、76.7mpa；相对于0.6mpa最大降幅仅为4％。经过四个振动加速度预处理并在0.1mpa下成形的制件，层间剪切强度的变化趋势为：78.37mpa、82.43mpa、75.71mpa、71.91mpa相对于0.6mpa最大降幅为8.7％。经过四个振动加速度预处理并在0.0mpa下成形的制件，层间剪切强度的变化趋势为：71.13mpa、73.12mpa、68.57mpa、60.91mpa，经过振动预处理0mpa制件的层间剪切性能相对于无振动预处理的0mpa制件层间剪切性能的平均增幅高达41.6％。经过振动预处理低压力区间成形的复合材料制件，其成形后的孔隙率相对于低压无振动预处理的制件的孔隙率有明显下降；并且，制件的层间剪切性能得到显著改善。本发明使用t800/x850航空复合材料，基于标准航空铺层的原则采用多向铺层，利用随机振动预处理在0mpa、0.1mpa和0.2mpa低压力区间内获得了孔隙率低于0.3％、层间剪切强度高于80mpa的复合材料制件。本发明相对于传统的热压罐高压工艺，提出了一种利用随机振动预处理平台获得了低压力下复合材料振动预处理结合低压固化的新型成型工艺，可明显降低复合材料制件的孔隙率、提高复合材料制件性能、可实现大型复合材料制件安全、高效及节能地成型固化。

附图说明

图1是复合材料制件在振动处理结合低压固化制件的孔隙率图；

图2是复合材料制件在热压罐工艺固化制件的孔隙率对图；

图3是复合材料制件在0.2mpa的压力下不同振动处理的层间剪切强度对比图；

图4是复合材料制件在0.1mpa的压力下不同振动处理的层间剪切强度对比图。

具体实施方式

本发明提供了一种复合材料构件固化工艺，该复合材料构件固化工艺包括以下步骤：

1)将待加工的复合材料制件在振动实验平台中加热及保温处理，其中，加热及保温处理是将待加工的复合材料制件在振动实验平台中以1.5℃/min的升温速率从30℃加热至80℃，保温30min；加热及保温采用镍铬合金电热丝加热器进行加热或保温；振动实验平台的振动频率区间10hz-2000hz；振动实验平台的温度区间-70℃-200℃；振动实验平台的振动加速度不大于50g，g＝9.8m/s。

2)在加热及保温的过程中，通过振动实验平台向待加工的复合材料制件提供振动；振动是5g-20g，g＝9.8m/s；

3)振动结束后，通过振动实验平台向待加工的复合材料制件施加低压，低压是0mpa-0.2mpa；

4)在施加低压的过程中，对待加工的复合材料制件进行二次升温并完成待加工的复合材料制件的后续固化，二次升温是对待加工的复合材料制件以1.5℃/min的升温速率从80°加热至180°，保温120min；二次升温采用镍铬合金电热丝加热器进行加热或保温。

同时，本发明还提供了一种基于根据前面所记载的复合材料构件固化工艺制备得到的复合材料制件。

具体而言，本发明所采用的振动实验平台是由中国国防科技大学设计，振动频率区间[10，2000]hz，温度区间[-70℃，200℃]，最大振动加速度50g。振动平台利用外部空压机作为动力源，持续利用气锤为安装平台提供稳定振源，振动过程中振动从安装平台由下而上的传递至复合材材料制件。

本发明所提供的复合材料构件固化工艺的截图工艺参数是：实验中制件在振动平台中从30℃加热至80℃(升温速率为1.5℃/min，采用镍铬合金电热丝加热器)，并保温30min，在升温和保温阶段振动平台将分组提供5g、10g、15g、20g(g＝9.8m/s)振动加速度。保温结束后(此过程不降温)，不同组别的振动制件将在无振动的0.1mpa、0.2mpa两个压力区间，从80°加热至180°保温120min(升温速率为1.5℃/min，采用镍铬合金电热丝加热器)，完成后续固化反应。

参见图1以及图2，复合材料制件在振动预处理与热压罐热压固化制件内部孔隙率对比分析，其中：复合材料制件经过5g、10g、15g、20g的随机振动处理并在0pma压力区间固化后，孔隙率分别为：0.67％、0.48％、0.85％、1.51％。经过随机振动处理的复合材料制件在0pma压力固化后，内部的孔隙率接近1％。随机振动加速度为10g时，相对于无振动处理的0mpa制件，制件内部消除了分层现象，孔隙率从5.17％降到0.48％。当后续工艺的外部压力达到0.1mpa时孔隙率分别为：0.62％、0.26％、0.73％、0.88％。经过振动处理并在0.1pma压力区间固化后，制件内部孔隙率整体小于1％，其中随机振动加速度为10g时制件内部的孔隙率达到最小为0.26％，可达到热压罐0.6mpa固化成形制件的效果。当后续工艺的外部压力达到0.2mpa时孔隙率分别为：0.6％、0.28％、0.66％、0.67％，相对于无振动处理的0.2mpa制件，制件内部孔隙率可从2.2％下降到0.25％，降幅达到87.2％。

参见图3以及图4，从层间剪切性能对比分析，0.6mpa无振动预处理的制件平均层间剪切强度为79.9mpa。5g、10g、15g、20g四个振动加速度在0.2mpa下成形的制件，层间剪切强度的变化趋势为：77.1mpa、81.69mpa、76.91mpa、76.7mpa；相对于0.6mpa最大降幅仅为4％。经过四个振动加速度预处理并在0.1mpa下成形的制件，层间剪切强度的变化趋势为：78.37mpa、82.43mpa、75.71mpa、71.91mpa相对于0.6mpa最大降幅为8.7％。经过四个振动加速度预处理并在0.0mpa下成形的制件，层间剪切强度的变化趋势为：71.13mpa、73.12mpa、68.57mpa、60.91mpa，经过振动预处理0mpa制件的层间剪切性能相对于无振动预处理的0mpa制件层间剪切性能的平均增幅高达41.6％。经过振动预处理低压力区间成形的复合材料制件，其成形后的孔隙率相对于低压无振动预处理的制件的孔隙率有明显下降；并且，制件的层间剪切性能得到显著改善。

针对高性能大型复材制件对固化压力及其均匀性要求高导致的成型制造难度大的问题，提出了复合材料制件“振动预处理+低压固化”的成型新工艺。使用t800/x850航空复合材料，基于标准航空铺层的原则采用多向铺层，利用随机振动预处理在0mpa、0.1mpa和0.2mpa低压力区间内获得了孔隙率低于0.3％、层间剪切强度高于80mpa的复合材料制件。