一种集成覆铜电磁屏蔽碳纤维制件的成型模具及成型方法与流程

本发明属于机械、材料和电磁三个技术领域，涉及一种集成覆铜的电磁屏蔽碳纤维制件的模具设计及成型方法，可以应用于既要满足结构高尺寸精度要求又必须电磁屏蔽的军用和民用产品领域。

背景技术：

碳纤维复合材料具有轻质、力学性能优异、耐环境腐蚀等优点，是制造轻质、高强度结构件的理想材料。但碳纤维复合材料的电磁屏蔽效能较差，对于有电磁屏蔽性能要求的碳纤维制件，需要增加金属层来满足电磁屏蔽要求。

目前，碳纤维制件的电磁屏蔽方法主要有镀覆金属层、胶接金属层和碳纤维丝束金属化。镀覆金属层是在碳纤维制件的屏蔽表面上化学镀或涂覆一层金属屏蔽层。胶接金属层是在碳纤维制件屏蔽表面用胶黏剂粘接一层金属箔屏蔽层。碳纤维丝束金属化是在碳纤维丝束表面上先镀覆金属屏蔽层、再浸润树脂，实现碳纤维本体材料电磁屏蔽特性。

现有碳纤维制件电磁屏蔽方法除了成本高和屏蔽层质量重外，还存在如下弊端：

(1)镀覆或胶接金属层表面粗糙度大、平面精度差、耐盐雾腐蚀性能差，屏蔽层易脱落。

(2)碳纤维丝束金属化层的屏蔽均匀性和高频电磁屏蔽效能差。

某产品碳纤维制件为薄壁内腔带法兰边结构，要求高频电磁屏蔽，高尺寸精度和屏蔽层耐盐雾腐蚀,同时需要满足低成本和屏蔽层重量轻等指标，现有屏蔽方法已经不能满足设计要求。

技术实现要素：

要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有碳纤维制件电磁屏蔽方法的不足，利用紫铜网优异的高频电磁屏蔽和耐环境腐蚀特性，通过紫铜网与碳纤维预浸料共固化成型的高尺寸精度保证，得到一种新的碳纤维制件的屏蔽方法，满足碳纤维制件电磁屏蔽、尺寸精度、耐盐雾腐蚀、低成本和轻量化等指标要求。

技术方案

一种集成覆铜电磁屏蔽碳纤维制件的成型模具，所述的集成覆铜电磁屏蔽碳纤维制件为内腔带法兰边结构，其特征在于包括主模具、压板、长压条和短压条；所述的主模具为凸模结构，由成型面、凸台和工作面组成；成型面四周设置凸台，用于定位长压条和短压条；压板为矩形结构，长度、宽度分别比制件腔体外表面尺寸小4mm；长压条、短压条均为45°梯阶结构。

所述的成型面的长度、宽度分别在制件腔体内表面尺寸的基础上进行热补偿，补偿系数为1/[1+(αm-αf)δt)]，其中：αm：模具材料的热膨胀系数，单位：×10-6/℃；αc：复合材料的热膨胀系数，单位：×10-6/℃；δt：预浸料固化温度和环境温度之间的温度差，单位：℃。

所述的主模具、压板、长压条、短压条材料均为45钢。

一种集成覆铜网电磁屏蔽碳纤维制件的成型方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：用酒精或丙酮清理主模具、压板、长压条、短压条，室温下晾干后，表面涂覆脱模剂至少2遍，间隔时间至少10min；

步骤2：在主模具的成型面与凸台之间紧挨成型面贴覆双面高温胶带，双面高温胶带比制件法兰边宽度大5mm；双面高温胶带上反面贴覆一层压敏胶带，压敏胶带宽度与双面高温胶带一致，用聚四氟乙烯板将双面高温胶带和压敏胶带压平，直至无气泡；

步骤3：主模具的成型面上铺设一层紫铜网，紫铜网的边与压敏胶带贴平压实，成型面上的紫铜网尺寸在制件内表面尺寸基础上预留2mm余量；

步骤4：紫铜网上铺设8层碳纤维预浸料，铺层顺序为(±45°/0°/90)s，层间要求无气泡皱褶产生，先放置外压板、长压条、短压条，再依次铺覆隔离膜、透气毡，真空袋密封；

步骤5：将封装好的产品放入固化炉中，根据碳纤维预浸料的固化参数设置温度、时间、压力参数，并开始加热固化；

步骤6：固化结束后，去除辅料，移除压板、长压条、短压条，脱模，撕掉制件法兰边上的压敏胶带和双面高温胶带；用砂纸打磨残留胶，铣边得到最终制件。

所述的紫铜网的面密度为130g/m2，厚度0.1mm，目数为100目，高频电磁屏蔽效能大于90db；双面高温胶带和压敏胶带的耐热温度大于150℃。

有益效果

本发明通过紫铜网与碳纤维预浸料的共固化一体成型，实现了紫铜网在碳纤维制件成型过程中的同步胶接置入，避免了现有屏蔽方法中屏蔽层容易与基体脱落现象；通过组合模具的使用以及模具的高精度保证，实现了碳纤维制件屏蔽层的高尺寸精度要求，避免了现有屏蔽方法中屏蔽层表面粗糙度大、平面精度差等现象；通过紫铜网优异的电磁屏蔽效能和双面高温胶带和压敏胶带的组合隔胶作用，实现了碳纤维制件的高频电磁屏蔽要求，避免了现有屏蔽方法易导致的边界电磁渗漏现象。某军品型号几百套样机的结果表明：用此方法设计的碳纤维零件屏蔽效能优异，质量稳定可靠。

附图说明

图1碳纤维制件结构示意图：(a)碳纤维制件正面；(b)碳纤维制件反面。

图2主模具结构示意图；

图3压板、长压条、短压条结构示意图；

图4本发明涉及的成型示意图。

图中，1-主模具；2-压板；3-长压条；4-短压条；5-主模具成型面；6-主模具凸台；7-主模具工作面；8-高温双面胶带；9-压敏胶带；10-紫铜网；11-碳纤维预浸料。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

一种集成覆铜网电磁屏蔽碳纤维制件的成型模具，由主模具1、压板2、长压条3、短压条4组成。主模具1为凸模结构，由成型面5、凸台6和工作面7组成。成型面5四周设置凸台6，用于定位长压条3和短压条4；压板2为矩形结构，长压条3、短压条4均为45°梯阶结构，所述主模具1、压板2、长压条3、短压条4材料均为45钢。

一种集成覆铜网电磁屏蔽碳纤维制件的成型方法，采用如下步骤：

步骤1：主模具1、压板2、长压条3、短压条4清理干净后，涂抹脱模剂2次；

步骤2：主模具1法兰边处贴覆双面高温胶带8，双面高温胶带8比制件法兰边宽度大5mm；双面高温胶带8上反面贴覆一层压敏胶带9，压敏胶带9宽度与双面高温胶带8一致；

步骤3：主模具1上铺设一层紫铜网10，法兰边处的紫铜网10与压敏胶带9贴平压实，型面处紫铜网10尺寸在制件内表面尺寸基础上预留2mm左右余量；

步骤4：紫铜网10上铺设碳纤维预浸料11，铺层顺序为(±45°/0°/90°)s，放置压板2、长压条3、短压条4，再依次铺覆隔离膜、透气毡，真空袋密封；

步骤5：将封装好的产品放入固化炉中，根据碳纤维预浸料11的固化参数设置温度、时间、压力参数，并开始加热固化；

步骤6：固化结束后，去除辅料，移除压板2、长压条3、短压条4，脱模，撕掉制件法兰边上的压敏胶带9和双面高温胶带8；用砂纸打磨残留胶，铣边得到最终制件。

所述紫铜网10的面密度为130g/m²，厚度0.1mm，目数为100目，高频电磁屏蔽效能为90db以上(10ghz～18ghz)。

所述双面高温胶带8和压敏胶带9的耐热温度为150℃以上。

实施例：

参见附图1所示，该产品为碳纤维腔体带法兰边层压件，腔体厚度1.0mm，法兰边厚度1.5mm，法兰边平面度要求0.05mm，成型固化压力0.1～0.2mpa，成型固化温度125℃，制件要求电磁屏蔽效能达到90db以上(10ghz～18ghz)。

参见附图2所示，主模具1为凸模结构，由成型面5、凸台6和工作面7组成。成型面5的长度、宽度分别在制件腔体内表面尺寸的基础上进行热补偿，高度比制件腔体内表面深度高q，其中q为紫铜网10、压敏胶带9和双面高温胶带8的总厚度。成型面5四周设置凸台6，用于定位长压条3和短压条4，凸台到成型面1的距离为r,其中r为长压条3、短压条4的宽度和制件内腔厚度的总和。

参加附图3所示，压板2为矩形结构，长度、宽度分别比制件腔体外表面尺寸小4mm，厚度为0.5mm。长压条3、短压条4均为45°梯阶结构，梯阶距离差1.5mm，长压条3、短压条4的长度分别比制件腔体外表面长度和宽度小2mm，宽度为40mm，厚度比制件腔体深度小2mm。

所述主模具1、压板2、长压条3、短压条4材料均为45钢。

本实施例中主模具1的成型面5的尺寸由下面式子确定：

s＝s1/(1+(αm-αc)δt)①

p＝p1/(1+(αm-αc)δt)②

式中：s为主模具1成型面5的长度(单位：mm)；p为成型面5的宽度(单位：mm)；s1为制件腔体内表面长度(单位：mm)；p1制件腔体内表面宽度(单位：mm)；αm为模具材料的热膨胀系数(单位：×10^-6/℃)；αc为复合材料的热膨胀系数(单位：×10-6/℃)；δt为预浸料固化温度和环境温度之间的温度差(单位：℃)。

本发明实现其目的所采用的成型工艺包括如下步骤：

(1)用酒精或丙酮清理主模具1、压板2、长压条3和短压条4，室温下晾干后，表面涂覆脱模剂至少2遍，间隔时间至少10min。

(2)主模具1法兰边四周先贴覆一层双面高温胶带8，双面高温胶带宽度8比制件法兰边宽度大5mm；双面高温胶带8上反面贴覆一层压敏胶带9，压敏胶带9宽度与双面高温胶带8一致，用聚四氟乙烯板将双面高温胶带8和压敏胶带9压平，直至无气泡。

(3)主模具1上铺设一层紫铜网10，法兰边处的紫铜网10与压敏胶带9贴平压实，宽度与压敏胶带9一致，腔体型面处紫铜网10尺寸在成型面5的长度、宽度的基础上预留5mm左右余量；

(4)紫铜网10上铺设8层碳纤维预浸料11，铺层顺序为(±45°/0°/90°)s，层间要求无气泡皱褶产生，先放置外压板2、长压条3、短压条4，再依次铺覆隔离膜、透气毡，真空袋密封；

(5)将封装好的产品放入固化炉中，根据碳纤维预浸料11的固化参数设置温度、时间、压力参数，并开始加热固化；

(6)固化结束后，去除辅料，移除外压板2、长压条3、短压条4，脱模，撕掉制件法兰边上的压敏胶带9和双面高温胶带8；用砂纸打磨残留胶，铣边得到最终制件。