一种复合材料多闭室厚壁盒形梁及整体成型方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合材料多闭室厚壁(是指壁厚与截面最大尺寸之比大于0.05的情况)盒形梁及整体成型方法，属于复合材料技术领域。
【背景技术】
[0002]与简单截面梁相比，多闭室盒形梁具有良好的抗弯曲、抗横向剪切以及抗扭转性能，其作为先进装备中一类重要的工程结构元件，广泛应用于航空航天、地面交通、海洋船舶等领域。随着先进装备对结构轻量化需求的不断提高，树脂基复合材料以其高比强度、高比模量的特点，逐渐成为替代传统金属材料的优选方案之一。
[0003]多闭室盒形梁一般由“泡沫型芯”、“内部骨架”与“外层蒙皮”组成，泡沫型芯为成型过程中内部骨架的支撑结构，内部骨架为由多个独立的单闭室结构组成的厚壁多闭室结构，承担大部分工作载荷；外层蒙皮为封闭薄壁结构，通过将内部骨架整体包覆，以保持多闭室盒形梁的整体性与稳定性。
[0004]复合材料多闭室盒形梁的传统成型方法可采用热压罐或RTM成型方法。若采用热压罐成型方法，需首先分别制备内部的闭室结构和蒙皮结构，再通过二次胶结固化组合为一整体结构，该方法一方面需使用昂贵的热压罐等设备，还需要多步固化，产品制备周期较长，成本较高；而采用传统RTM成型方法，当多闭室盒形梁长度较长、壁厚较大时，树脂流程较长、且在壁厚方向上不易充分浸润，导致产生干斑、分层或疏松等质量缺陷。目前，多种工艺复合是复合材料成型方法研宄的一个方向，如采用RTM和模压复合成型各种较为复杂结构的制品；但是，由于预浸料树脂体系与液态成型树脂体系在固化机制、粘度等方面的差异，在成型过程中，预浸料树脂体系会在两种树脂体系界面呈很粘稠的状态，将对液态成型树脂体系的流动与固结产生阻碍作用，容易在界面处形成孔隙、分层等缺陷，进而影响最终制件的内部质量。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种界面结合质量好、制件内部质量稳定、可靠的复合材料多闭室厚壁盒形梁及整体成型方法。
[0006]本发明的技术解决方案:一种复合材料多闭室厚壁盒形梁，包括多闭室盒形骨架和外层蒙皮，多闭室盒形骨架采用纤维增强材料/预浸料树脂体系，外层蒙皮采用纤维增强材料织物/液态成型树脂体系，多闭室盒形骨架和外层蒙皮整体成型，所述的多闭室盒形骨架和外层蒙皮之间还包括一层纤维毡增强的树脂膜，纤维毡增强的树脂膜所用树脂体系与外层蒙皮所用树脂体系一致。
[0007]本发明通过在多闭室盒形骨架和外层蒙皮之间增加一层纤维毡增强的树脂膜，在液态成型注胶时，纤维毡增强的树脂膜在预浸料树脂体系和液态成型树脂体系之间的界面处形成富树脂层，有效改善了两种树脂体系界面之间质量。
[0008]纤维毡增强的树脂膜采用与外层蒙皮液态成型同源的树脂体系，可通过直接刷涂在纤维毡上制备树脂膜，为使铺设过程的成膜性和在液态成型中在界面顺利形成富树脂层，对纤维毡增强的树脂膜中纤维毡的面密度和树脂含量(树脂的质量占纤维毡增强的树脂膜质量的百分比)进行限制，纤维毡的面密度不大于60g/m2，树脂含量为60?70%。
[0009]纤维毡增强的树脂膜铺敷过程中对环境温度的依赖性较大，可在制备纤维毡增强的树脂膜时，在树脂中添加增稠剂，如玻璃微球或橡胶等，增稠剂的用量可根据具体操作环境进行选择；也可将制备好的纤维毡增强的树脂膜预先固化，使其预先有20?30%固化度。上述操作的目的是改善铺敷过程中树脂的粘度，降低对环境温度的依赖性。
[0010]一种复合材料多闭室厚壁盒形梁整体成型方法，包括以下步骤:
[0011]采用纤维增强预浸料包覆型芯，制备多闭室盒形骨架预制件；
[0012]Al、制备单闭室盒形骨架预制件，
[0013]根据结构尺寸与结构力学性能要求确定构成多闭室内部骨架的单闭室子块的尺寸、数目及壁厚，然后制备单闭室子块，再将单闭室子块组合成多闭室内部骨架，采用真空袋、模压、膨胀软模辅助方法等工艺方法制备内部骨架结构。
[0014]Al.1、按照单闭室盒形骨架结构和尺寸进行预浸料剪裁；
[0015]Al.2、按照铺层设计在型芯上包覆预浸料；
[0016]Al.3、在70?90°C温度下压制30?50min，得到单闭室盒形骨架预制件；
[0017]A2、将所有单闭室盒形骨架预制件组合后，在70?90°C温度下压制30?50min，得到多闭室盒形骨架预制件。
[0018]在多闭室盒形骨架预制件的外包覆纤维毡增强的树脂膜，确保预制体表面被树脂模完全覆盖；
[0019]在纤维毡增强的树脂膜外包覆干态纤维织物，得到多闭室厚壁盒形梁预制体；
[0020]将多闭室厚壁盒形梁预制体在模具中注胶，进行液态成型；和
[0021]整体固化得到复合材料多闭室厚壁盒形梁。
[0022]根据树脂体系的注射工艺参数及固化制度完成多树脂体系共固化工艺过程，实现内部骨架与外层蒙皮的整体共固化成型。
[0023]本发明中内部骨架预制体(多闭室盒形骨架预制件)采用增强纤维/预浸料树脂体系，通过真空袋、模压或膨胀软模辅助成型等方法制备；外层蒙皮采用增强材料织物/液态成型树脂体系，外层蒙皮将内部骨架包覆后，通过RTM、VARTM、VARI或RFI等液态成型方法实现多闭室厚壁盒形梁的整体共固化成型。
[0024]本发明在制备过程中，采用低面密度纤维毡增强树脂膜作为插层材料铺放在预浸料预制体与干态增强织物之间，该膜材料的基体与液态成型树脂为同种材料，在铺放温度下呈胶膜状态，在注射温度下为可流动的液态。成型过程中，低面密度纤维毡增强树脂膜具有良好的铺贴工艺性，能够在界面处形成均匀、致密的富树脂层，且与液态成型树脂之间具有良好的流动匹配性。低面密度纤维毡增强树脂膜的引入改善了预浸料树脂体系与液态成型树脂体系之间的界面结合质量，确保复合材料制件内部质量稳定、可靠。
[0025]本发明对预浸料的树脂体系没有特殊要求，本领域技术人员可以根据需要选择低温固化预浸料环氧树脂、中温固化预浸料环氧树脂、高温固化预浸料环氧树脂或双马来酰亚胺预浸料树脂等常规使用的预浸料树脂体系。
[0026]本发明对外层蒙皮所采用的液态成型树脂基体没有特殊要求，本领域技术人员可以根据需要选择低室温固化RTM环氧树脂、中温固化RTM环氧树脂、高温固化RTM环氧树月旨、RTM双马来酰亚胺树脂、VARI乙烯基树脂、VAR工环氧树脂等常规使用的液态成型树脂体系。
[0027]本发明对低面密度纤维毡增强树脂膜中增强纤维毡的种类没有特殊要求，为保证树脂膜在铺设中的成膜性，只对增强纤维毡面密度进行限制，要求面密度不大于60g/m2，具体种类可以根据需要选择玻璃纤维毡、碳纤维毡、芳纶纤维毡等。
[0028]本发明与现有技术相比的有益效果:
[0029](I)本发明通过在内部骨架与外层蒙皮之间的界面处插入一层低面密度纤维毡增强树脂模，该树脂模在固化机制与预浸料树脂体系及液态成型树脂体系具有良好的匹配性，且对液态成型树脂流动影响较小，改善了内部骨架与外层蒙皮之间的界面连接质量，提高了制件的内部质量与整体性；
[0030](2)本发明根据多闭室盒形梁结构特点，成型过程中采用具有不同工艺特点的树脂体系，将预浸料体系应用于多闭室厚壁骨架结构成型，确保内部骨架结构树脂含量易于控制，且具有优良的成型工艺性，将液态成型树脂体系应用于外层薄壁蒙皮结构成型，液态成型过程中树脂仅在外层薄壁蒙皮中流动，流道简单，克服了复杂厚壁制件液态成型过程中流道复杂、树脂不易充分浸润的缺点；
[0031](3)本发明具有制造成本低、制造周期短的优点，克服了现有多闭室厚壁盒形梁采用热压罐成型方法成本高、周期长、难于一次整体成型，而采用传统液态成型方法无法确保产品内部质量的问题。
【附图说明】
[0032]图1为本发明流程图；
[0033]图2为本发明实例结构示意图(立体);
[0034]图3为本发明实例剖视图。
【具体实施方式】
[0035]本发明多闭室厚壁盒形梁主要包括内部骨架、外层蒙皮以及泡沫型芯三部分，其中泡沫型芯为成型过程中内部骨架的支撑结构；内部骨架由独立的单闭室结构组合而成的多闭室厚壁结构，采用纤维增强材料/预浸料树脂体系，通过真空袋或模压预制成型；外层蒙皮为简单封闭薄壁结构，采用纤维增强材料织物/液态成型树脂体系，树脂注射充模后，内部骨架与外层蒙皮在统一的固化制度下共固化为一整体结构。
[0036]下面结合具体实例及附图详细说明本发明。
[0037]本实施例制作一个复合材料多闭室厚壁盒形梁，用于数控