一种高硅氧纤维与碳纤维的复合模压制品的成型方法与流程

本发明涉及航空航天复合材料的复合模压制品制作领域，特别涉及一种高硅氧纤维与碳纤维的复合模压制品的成型方法。

背景技术：

火箭发动机部件需承受高温、高压和高速燃气的烧蚀及冲刷，热防护部件需具备耐烧蚀和绝热性能。碳纤维增强酚醛复合材料有优异的耐烧蚀、抗冲刷性能，但其导热系数大；高硅氧纤维增强酚醛复合材料有优异的绝热性能，但耐烧蚀、抗冲刷性能不如碳纤维复合材料。将两种材料分层同时复合模压，而制备的复合模压制品，既具备优良的隔热性能，又具备良好的烧蚀性能，可被应用于火箭发动机部件的制作。

复合模压其中一种方法是，将一种材料完全固化后，结合面机加出凹槽、台阶等结构后，再投入另一种材料模压成型。该方法的优点是复合界面清晰，可对每种材料的厚度精确设计和计算，利于部件设计和使用；但是，两种材料界面结合较差，工作时，界面易开裂，不耐烧蚀。另一种方法是将一种材料预成型后，再投入另一种预混料后，二者整体固化，该方法工艺简单，易于实现且界面结合牢固；但是由于模压过程中，初次半固化成型的预制件，易被再次投入的物料冲刷或挤压，导致制品表面两种材料区域性交替出现。或者结合界面纤维混杂，无明显界面，材料厚度无法精确设计和计算，影响各自性能优势的发挥，难以满足防热制品隔热与烧蚀性能功能差异性设计，难以满足航空航天领域的使用要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高硅氧纤维与碳纤维的复合模压制品的成型方法，以解决现有的高硅氧纤维与碳纤维的复合模压制品的成型方法不合理的问题。

本发明的目的是由下述技术方案实现的：

一种高硅氧纤维与碳纤维的复合模压制品的成型方法，其包括以下步骤：

a、将碳纤维酚醛上模板、碳纤维酚醛成型芯模和碳纤维酚醛成型阴模由上至下依次安装在第一热压机中，并预热保温；

将高硅氧纤维酚醛上模板、高硅氧纤维酚醛成型压模连接板、高硅氧纤维酚醛预制件端面成型压模、高硅氧纤维酚醛成型芯模和高硅氧纤维酚醛成型阴模由上至下依次安装在第二热压机中，并预热保温；

b、将碳纤维酚醛树脂预混料预热；将高硅氧纤维酚醛树脂预混料预热；

c、将预热后的所述碳纤维酚醛树脂预混料装入所述碳纤维酚醛成型芯模和所述碳纤维酚醛成型阴模之间的模腔中，所述第一热压机保温加压，制成碳纤维酚醛树脂预制件；

将预热后的所述高硅氧纤维酚醛树脂预混料装入所述高硅氧纤维酚醛成型芯模和所述高硅氧纤维酚醛成型阴模之间的模腔中，所述第二热压机保温加压，制成高硅氧纤维酚醛树脂预制件；

d、所述第一热压机冷却后，将所述碳纤维酚醛树脂预制件脱模；

e、所述第二热压机冷却后，将所述高硅氧纤维酚醛上模板、所述高硅氧纤维酚醛成型芯模与所述高硅氧纤维酚醛树脂预制件脱离；将所述碳纤维酚醛树脂预制件安装在所述高硅氧纤维酚醛树脂预制件上；将所述高硅氧纤维酚醛上模板、所述碳纤维酚醛成型芯模安装在所述碳纤维酚醛树脂预制件上；然后，所述第二热压机保温加压；将所述碳纤维酚醛树脂预制件、所述高硅氧纤维酚醛树脂预制件整体固化；

f、所述第二热压机冷却后，将整体固化后的所述碳纤维酚醛树脂预制件、所述高硅氧纤维酚醛树脂预制件脱模，得到高硅氧纤维与碳纤维的复合模压制品。

需要说明的是，高硅氧纤维是高纯氧化硅非晶体连续纤维的简称，其氧化硅含量96–98％。高硅氧纤维酚醛树脂是现有技术中的常规材料，是指以高硅氧玻璃纤维为增强体、酚醛树脂为基体进行复合得到的复合材料。碳纤维(carbonfiber，简称cf)，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的纤维材料。碳纤维酚醛树脂是现有技术中的常规材料，是指以碳纤维为增强体、酚醛树脂为基体进行复合得到的复合材料。

进一步的，步骤a中，在所述碳纤维酚醛成型芯模、所述碳纤维酚醛成型阴模、所述高硅氧纤维酚醛预制件端面成型压模、所述高硅氧纤维酚醛成型芯模和所述高硅氧纤维酚醛成型阴模表面涂抹脱模剂。

进一步的，步骤a中，所述第一热压机和所述第二热压机中预热温度为105℃-115℃。

进一步的，步骤b中，所述碳纤维酚醛树脂预混料和所述高硅氧纤维酚醛树脂预混料预热温度为90℃-100℃。

进一步的，步骤c中，所述第一热压机和所述第二热压机中保温温度为105℃-115℃。

进一步的，步骤c中，所述第一热压机的加压压力为3mpa～4mpa，保温加压时间通过以下公式计算：t1＝3～5min/mm*d1

其中：t1为所述第一热压机保温加压时间；d1为所述碳纤维酚醛树脂预制件厚度。

进一步的，步骤c中，所述第二热压机的加压压力为3mpa～4mpa，保温加压时间通过以下公式计算：t2＝4～6min/mm*d2

其中：t2为所述第一热压机保温加压时间；d2为所述碳纤维酚醛树脂预制件厚度。

进一步的，步骤e中，所述第二热压机加压压力为3mpa～4mpa。

进一步的，步骤e中，所述第二热压机在105℃-115℃时保温15min～20min；然后以2℃～5℃/10min的速率升温至160℃-170℃保温，保温时间通过以下公式计算：

t3＝5～6min/mm*(d1+d2)

其中：t3为保温时间。

进一步的，步骤f中，所述第二热压机冷却到40℃以下。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明采用所述碳纤维酚醛树脂预制件、所述高硅氧纤维酚醛树脂预制件分别预压制，然后整体固化的技术方案，避免首次预制件再次复合模压时，由于物料流动、挤压而损伤、破坏，二者不混杂、分界面清晰，复合后整体固化，保证了两种材料较高的界面强度，满足防热制品隔热与烧蚀性能功能差异性设计。

2.本发明安装所述高硅氧纤维酚醛预制件端面成型压模，在整个成型过程中始终压在所述高硅氧纤维酚醛树脂预制件上，避免造成制品表面不光滑、不平整。

附图说明

图1为本发明所述高硅氧纤维与碳纤维的复合模压制品的成型方法流程图；

图2为碳纤维酚醛成型模具结构示意图；

图3为高硅氧纤维酚醛成型模具结构示意图；

图4为所述碳纤维酚醛树脂预制件和所述高硅氧纤维酚醛树脂预制件复合后整体固化成型模具结构示意图；

图中：1-高硅氧纤维酚醛树脂预制件、2-碳纤维酚醛树脂预制件、3-高硅氧纤维酚醛预制件端面成型压模、4-高硅氧纤维酚醛成型压模连接板、5-高硅氧纤维酚醛成型芯模、6-碳纤维酚醛成型芯模、7-高硅氧纤维酚醛上模板、8-高硅氧纤维酚醛成型阴模、9-碳纤维酚醛上模板、10-碳纤维酚醛成型阴模。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

参见图1、图2、图3、图4，一种高硅氧纤维与碳纤维的复合模压制品的成型方法，其包括以下步骤：a、将碳纤维酚醛上模板9、碳纤维酚醛成型芯模6和碳纤维酚醛成型阴模10由上至下依次安装在第一热压机中，并预热保温；将高硅氧纤维酚醛上模板7、高硅氧纤维酚醛成型压模连接板4、高硅氧纤维酚醛预制件端面成型压模3、高硅氧纤维酚醛成型芯模5和高硅氧纤维酚醛成型阴模8由上至下依次安装在第二热压机中，并预热保温；b、将碳纤维酚醛树脂预混料预热；将高硅氧纤维酚醛树脂预混料预热；c、将预热后的所述碳纤维酚醛树脂预混料装入所述碳纤维酚醛成型芯模和所述碳纤维酚醛成型阴模之间的模腔中，所述第一热压机保温加压，制成碳纤维酚醛树脂预制件2；将预热后的所述高硅氧纤维酚醛树脂预混料装入所述高硅氧纤维酚醛成型芯模和所述高硅氧纤维酚醛成型阴模之间的模腔中，所述第二热压机保温加压，制成高硅氧纤维酚醛树脂预制件1；d、所述第一热压机冷却后，将所述碳纤维酚醛树脂预制件脱模；e、所述第二热压机冷却后，将所述高硅氧纤维酚醛上模板、所述高硅氧纤维酚醛成型芯模与所述高硅氧纤维酚醛树脂预制件脱离；将所述碳纤维酚醛树脂预制件安装在所述高硅氧纤维酚醛树脂预制件上；将所述高硅氧纤维酚醛上模板、所述碳纤维酚醛成型芯模安装在所述碳纤维酚醛树脂预制件上；然后，所述第二热压机保温加压；将所述碳纤维酚醛树脂预制件、所述高硅氧纤维酚醛树脂预制件整体固化；f、所述第二热压机冷却后，将整体固化后的所述碳纤维酚醛树脂预制件、所述高硅氧纤维酚醛树脂预制件脱模，得到高硅氧纤维与碳纤维的复合模压制品；本发明所述碳纤维酚醛树脂预制件、所述高硅氧纤维酚醛树脂预制件分别预压制，避免首次预制件再次复合模压时，由于物料流动、挤压而损伤、破坏，二者不混杂、分界面清晰，复合后整体固化，保证了两种材料较高的界面强度，满足防热制品隔热与烧蚀性能功能差异性设计；进一步的，安装所述高硅氧纤维酚醛预制件端面成型压模，在整个成型过程中始终压在所述高硅氧纤维酚醛树脂预制件上，避免造成制品表面不光滑、不平整。

参见图2、图3，本发明步骤a中，在所述碳纤维酚醛成型芯模、所述碳纤维酚醛成型阴模、所述高硅氧纤维酚醛预制件端面成型压模、所述高硅氧纤维酚醛成型芯模和所述高硅氧纤维酚醛成型阴模表面涂抹脱模剂；所述脱模剂是用在两个彼此易于粘着的物体表面的一个界面涂层，它可使物体表面易于脱离、光滑及洁净；便于所述碳纤维酚醛树脂预制件、所述高硅氧纤维酚醛树脂预制件脱模。

参见图2、图3，本发明步骤a中，所述第一热压机和所述第二热压机中预热温度为105℃-115℃。

参见图2、图3，本发明步骤b中，所述碳纤维酚醛树脂预混料和所述高硅氧纤维酚醛树脂预混料预热温度为90℃-100℃。

参见图2、图3，本发明步骤c中，所述第一热压机和所述第二热压机中保温温度为105℃-115℃。

参见图2、图3，本发明步骤c中，所述第一热压机的加压压力为3mpa～4mpa，保温加压时间通过以下公式计算：t1＝3～5min/mm*d1

其中：t1为所述第一热压机保温加压时间；d1为所述碳纤维酚醛树脂预制件厚度。

参见图2、图3，本发明步骤c中，所述第二热压机的加压压力为3mpa～4mpa，保温加压时间通过以下公式计算：t2＝4～6min/mm*d2

其中：t2为所述第一热压机保温加压时间；d2为所述碳纤维酚醛树脂预制件厚度。

参见图4，本发明步骤e中，所述第二热压机加压压力为3mpa～4mpa。

参见图4，本发明步骤e中，所述第二热压机在105℃-115℃时保温15min～20min；然后以2℃～5℃/10min的速率升温至160℃-170℃保温，保温时间通过以下公式计算：

t3＝5～6min/mm*(d1+d2)

其中：t3为保温时间；

直接升温到160℃固化，会导致外层高硅氧层先固化，界面层有分层和空隙现象。

参见图4，本发明步骤f中，所述第二热压机冷却到40℃以下。

对比例1

本对比例中的高硅氧纤维与碳纤维的复合模压制品的成型方法，与实施例1中的步骤完全相同，区别仅在于，在步骤e中，所述第二热压机在160℃的温度下保温，保温时间为(t3+15)min。

对比例2

本对比例中的高硅氧纤维与碳纤维的复合模压制品的成型方法，与实施例1中的步骤完全相同，区别仅在于，在步骤e中，所述第二热压机在105℃-115℃时保温15min～20min；然后以10℃/10min的速率升温至160℃-170℃保温，保温时间为t3。

效果试验例

取实施例1、对比例1、对比例2中制备得到的高硅氧纤维与碳纤维的复合模压制品，采用短切纤维增强酚醛常用的gb/t1450.2，检测剪切强度，并记录结果。

检测结果如下：

实施例1中的剪切强度平均值为38.9mpa。对比例1中，直接升温160℃固化，导致外层高硅氧层先固化，界面层有分层和空隙现象，剪切强度平均值为19.37mpa；对比例2中，易出现鼓包，内部树脂集聚，同时由于内应力较大，制品变形较大。

对比例1中直接在160℃保温，而实施例1中，增加105℃-115℃保温段，一个目的是使得内外结构且较厚的制品，内外温度均匀一致；同时，该温度下物料流动性较好，固化反应还未达到最激烈时，易于树脂流动，排除气体、小分子。对比例2以10℃/10min的速率升温至160℃-170℃保温，相对于2℃～5℃/10min的速率，效果不佳，是因为酚醛树脂固化速率随温度升高而加快，同时由于模压料本身导热性差，升温过快，在制品中易造成内外固化不均匀而产生内应力，甚至可能导致与热源接触部位先固化，而阻碍后固化内层物料产生低分子物和水分的排除，出现鼓包、内部树脂集聚等缺陷。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。