基于间断铺层的复合材料薄壁壳体的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于间断铺层的复合材料薄壁壳体的制备方法，属于复合材料结构设计和复合材料加工工艺【技术领域】。本发明的复合材料薄壁壳体变形小，在室温条件下最大变形不超过0.5mm，这对确保空间遥感系统的面遮拦比、调制传递函数(MTF)以及杂光系数至关重要。本发明的复合材料薄壁壳体结构形式简单，省却了筋或肋等繁琐结构，也减轻了结构重量。本发明的复合材料薄壁壳体工艺成熟度高，工装模具简单，对固化设备适用性较好，生产周期短。
【专利说明】基于间断铺层的复合材料薄壁壳体的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于间断铺层的复合材料薄壁壳体的制备方法，属于复合材料结 构设计和复合材料加工工艺【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 先进复合材料具有质量轻、比强度和比模量高、耐疲劳、阻尼减震性能好、性能可 设计等优点，正逐步替代原有的金属材料成为空间遥感器结构的关键材料。从工艺成熟度 和实际应用范围来讲，以高性能纤维为增强体的树脂基复合材料已成为空间遥感器结构的 首选材料，而碳纤维复合材料（CFRP)、芳纶纤维复合材料（AFRP)又占据了其中的主导地 位。
[0003] -些空间遥感器零部件，例如主镜或者次镜上的内罩等，常常采用薄壁壳体结构， 壁厚一般不大于1mm，甚至更薄只有〇. 3mm。和常规复合材料结构一样，这类零部件固化成 型后也存在变形问题，而变形大小往往与铺层刚度、板长宽比、板厚、边界条件等相关。即便 常见的对称铺层的平板固化成型后，也会出现一定的变形，这可能是由于纤维与基体的差 异、温度梯度、铺叠误差以及固化过程的滑移、复合材料与模具材料的差异等原因造成的。 复合材料的变形问题一般比较复杂，在实际工程应用中，往往采用增加筋或肋以提高刚度 减小变形的方法。但对于空间遥感器结构而言，筋或肋不仅增加了重量，也会影响系统的面 遮拦比、调制传递函数（MTF)、杂光系数等。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对空间遥感器用纤维增强树脂基复合材料薄壁壳体易变形问 题，提出一种间断铺层方法，该方法制备的纤维增强树脂基复合材料薄壁壳体不易变形，能 够保证空间遥感器的面遮拦比、调制传递函数（MTF)及杂光系数，同时能够简化结构设计 和成型工艺。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0006] 本发明的一种基于间断铺层的复合材料薄壁壳体的制备方法，该薄壁壳体为一个 通道状结构，该通道状结构沿轴向任意一个横截面均为四边形，四边形的四个角均采用圆 弧过渡；
[0007] 薄壁壳体采用纤维增强树脂基复合材料层压结构，共计η层，η > 2, η为自然数； 薄壁壳体的增强材料为芳纶纤维、碳纤维或玻璃纤维；
[0008] 该方法为间断铺层法，步骤为：
[0009] 第一步，模具设计与制造
[0010] 设计与制造薄壁壳体的成型模具，模具采用金属材料，模具表面形状与壳体一致； 使用前，在模具的表面涂刷一层脱模剂，脱模剂耐受温度一般不低于140°c，并晾干。
[0011] 第二步，预浸料制备
[0012] 制备所需的预浸料，预浸料可以采用织物或者单向带的形式；依据树脂基体的具 体类型进行预浸料B阶化处理，S卩加热使树脂软化但又不完全熔融，具有一定的粘性，便于 后面工序的铺叠。
[0013] 第三步，预浸料裁剪
[0014] 根据薄壁壳体展开后的外形裁剪预浸料。
[0015] 第四步，铺叠
[0016] 按照由内而外的顺序，最内一层记为第一层，依次为第二层、第三层、…第1^层、··· 第η层；第一层至第k层为完整铺层，第（k+Ι)层在四边形的圆弧过渡部位断开5?10mm， 第（k+2)沿上一层断开部位每侧断开长度再增大5?10mm，依此规则直至第η层；k<n/2。
[0017] 按照由外而内的顺序，最外一层记为第一层，依次为第二层、第三层、…第k 层、…第η层；第一层至第k层为完整铺层，第（k+Ι)层在四边形的圆弧过渡部位断开5? 10_，第（k+2)层沿上一层断开部位每侧断开长度再增大5?10_，依此规则直至第η层； k ^ η/2〇
[0018] 每铺叠一层预浸料后，铺覆一层聚四氟乙烯薄膜，然后用橡胶辊和电熨斗逐步碾 压，使层与层之间致密但无褶皱。
[0019] 第五步，固化
[0020] 修切铺叠过程的溢料，擦净模具表面的胶液。
[0021] 依次铺覆聚四氟乙烯隔离膜、吸胶层、聚四氟乙烯隔离膜、工艺均压板和透气毡， 粘贴密封胶带并封装真空尼龙薄膜。采用真空袋-热压罐法或者真空袋-烘箱法完成固化。 固化工艺依据树脂基体的具体类型、模具的材料、制品的大小及厚薄而定，关机后应冷却至 60°C以下方可出炉。
[0022] 第六步，脱模及修整
[0023] 拆除真空尼龙薄膜、透气毡、工艺均压板、聚四氟乙烯隔离膜、吸胶层以及聚四氟 乙烯隔离膜，将制品从成型模具中脱出。
[0024] 修切溢料和毛刺。
[0025] 第七步，检测变形量
[0026] 采用游标卡尺、刀口直尺以及光面塞规检测制品的变形量。
[0027] 有益效果
[0028] (1)本发明的复合材料薄壁壳体变形小，在室温条件下最大变形不超过0. 5_，这 对确保空间遥感系统的面遮拦比、调制传递函数（MTF)以及杂光系数至关重要。
[0029] (2)本发明的复合材料薄壁壳体结构形式简单，省却了筋或肋等繁琐结构，也减轻 了结构重量。
[0030] (3)本发明的复合材料薄壁壳体工艺成熟度高，工装模具简单，对固化设备适用性 较好，生产周期短。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1为现有技术中空间遥感器内罩的结构示意图；
[0032] 图2为图1中罩体的结构示意图；
[0033] 图3为图1中罩体的变形示意图；
[0034] 图4为本发明薄壁壳体的结构示意图；
[0035] 图5为由内到外的铺层示意图；
[0036] 图6为由外到内的铺层示意图。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0038] 对比例
[0039] 全色多光谱敏捷相机主镜内罩（以下简称内罩）为薄壁结构，由挡光板1、罩体2 和加强筋3组成，如图1所示；
[0040] 其中罩体2包括一规则通道状结构和一非规则通道状结构两部分，沿轴向任意一 个横截面均为四边形，四边形的四个角均采用圆弧过渡；罩体2的理论壁厚0. 3_ ;规则通 道状结构的表面有03组孔和宽度为0. 5mm槽，规则通道状结构的端部与挡光板1采用胶黏 剂粘接成一体；非规则通道状结构的端部与加强筋3采用胶黏剂粘接成一体，如图2所示；
[0041] 现有技术中固化成型后的罩体2存在较大变形，四边形的圆弧过渡部位有曲率变 小的趋势，导致连接两个圆弧间的平面部分发生变形，最大变形Λ S接近5mm，如图3所 示；
[0042] 罩体2的端部与加强筋3采用胶黏剂粘接成一体后，端部变形有所改善，但罩体2 中部变形仍然较大，无法满足相机分系统的使用要求。
[0043] 实施例1
[0044] 罩体2采用间断铺层方法，大大简化了内罩的结构形式，有效控制了其最大变形， 同时省却罩体2远端的加强筋3。无加强筋3的罩体2的结构示意图如图4所示。
[0045] 第一步，设计制造罩体2的成型模具，模具为阳模，模具采用金属材料，模具外形 尺寸与罩体2的内腔一致；使用前，在模具工作表面涂刷一层氟碳化合物脱模剂，并晾干； 氟碳化合物脱模剂可用耐受温度不低于140°C的其他脱模剂代替；必要时，可将模具加热 至 50 ?60°C。
[0046] 第二步，制备名义厚度0. Imm的Kevlar49/8D-1平纹织物预浸料，预浸料树脂含量 控制在42 ± 5 %，挥发份含量要求不大于3 %。
[0047] 第三步，依据罩体2展开后的理论外形裁剪预浸料。
[0048] 第四步，罩体2采用三层KeVlar49-120型平纹织物预浸料铺叠而成；按照由内而 外的顺序，如图5所示，采用间断铺层实施方法为：
[0049] 1)最内一层为完整铺层，拼接部位采取搭接方式，搭接宽度为5mm ;
[0050] 2)中间一层在四边形的圆弧过渡部位断开IOmm ;
[0051] 3)最外一层在四边形的圆弧过渡部位断开30mm，断口与中间一层断口对称分布；
[0052] 4)按照由内而外的顺序在模具上铺叠完毕后，表面铺覆一层聚四氟乙烯薄膜，然 后用橡胶辊和电熨斗逐步碾压，使层与层之间致密但无褶皱。
[0053] 第五步，依次铺覆聚四氟乙烯隔离膜、吸胶层、聚四氟乙烯隔离膜、工艺均压板、透 气毡，粘贴密封胶带并封装真空尼龙薄膜。采用真空袋-热压罐法或者真空袋-烘箱法完 成固化。本实施例中的固化工艺为：抽真空压力不大于_〇.〇94MPa，升温至70±3°C保持0. 5 小时后加外压至〇. 2MPa，继续升温至120±3°C加外压至0. 4MPa，继续升温至140±3°C保持 3小时后关机，待温度降至60°C以下后出罐。
[0054] 第六步，将制品从模具小端脱出，修切溢料和毛刺。
[0055] 第七步，采用游标卡尺、刀口直尺以及光面塞规检测制品的变形量，其变形Λ δ 的极值为〇· 5mm。
[0056] 实施例2
[0057] 罩体2采用间断铺层方法，大大简化了内罩的结构形式，有效控制了其最大变形， 同时省却罩体2远端的加强筋3。无加强筋3的罩体2的结构示意图如图4所示。
[0058] 第一步，设计制造罩体2的成型模具，模具为阴模，模具采用金属材料，模具内腔 形状与尺寸与罩体2的外表面一致；使用前，在模具工作表面涂刷一层氟碳化合物脱模剂， 并晾干；氟碳化合物脱模剂可用耐受温度不低于140°C的其他脱模剂代替；必要时，可将模 具加热至50?60°C。
[0059] 第二步，制备名义厚度0. Imm的Kevlar49/8D-1平纹织物预浸料，预浸料树脂含量 控制在42 ± 5 %，挥发份含量要求不大于3 %。
[0060] 第三步，依据罩体2展开后的理论外形裁剪预浸料。
[0061] 第四步，罩体2采用三层KeVlar49-120型平纹织物预浸料铺叠而成；按照由外而 内的顺序，如图6所示，采用间断铺层实施方法为：
[0062] 1)最外一层为完整铺层，拼接部位采取搭接方式，搭接宽度为5mm ;
[0063] 2)中间一层在四边形的圆弧过渡部位断开IOmm ;
[0064] 3)最内一层在四边形的圆弧过渡部位断开30mm，断口与中间一层断口对称分布；
[0065] 4)按照由外而内的顺序在模具上铺叠完毕后，在内表面铺覆一层聚四氟乙烯薄 膜，然后用橡胶辊和电熨斗逐步碾压，使层与层之间致密但无褶皱。
[0066] 第五步，依次铺覆聚四氟乙烯隔离膜、吸胶层、聚四氟乙烯隔离膜、工艺均压板、透 气毡，粘贴密封胶带并封装真空尼龙薄膜。采用真空袋-热压罐法或者真空袋-烘箱法完 成固化。本实施例中的固化工艺为：抽真空压力不大于_〇.〇94MPa，升温至70±3°C保持0. 5 小时后加外压至〇. 2MPa，继续升温至120±3°C加外压至0. 4MPa，继续升温至140±3°C保持 3小时后关机，待温度降至60°C以下后出罐。
[0067] 第六步，将制品从模具大端脱出，修切溢料和毛刺。
[0068] 第七步，采用游标卡尺、刀口直尺以及光面塞规检测制品的变形量，其变形Λ δ 的极值为〇· 5mm。
【权利要求】
1. 一种基于间断铺层的复合材料薄壁壳体的制备方法，其特征在于步骤为： 第一步，制造薄壁壳体的成型模具； 第二步，制备预浸料； 第三步，根据薄壁壳体展开后的外形裁剪预浸料； 第四步，在第一步制备的成型模具上铺叠第三步裁减后的预浸料； 按照由内而外的顺序进行铺叠，最内一层记为第一层，依次为第二层、第三层、…第k 层、…第n层；第一层至第k层为完整铺层，第（k+1)层在四边形的圆弧过渡部位断开5? 10mm，第（k+2)沿上一层断开部位每侧断开长度再增大5?10mm，依此规则直至第n层； k彡n/2 ;n为薄壁壳体的层压层数，n彡2, n为自然数； 每铺叠一层预浸料后，铺覆一层聚四氟乙烯薄膜，然后用橡胶辊和电熨斗逐步碾压； 第五步，依次铺覆聚四氟乙烯隔离膜、吸胶层、聚四氟乙烯隔离膜、工艺均压板和透气 毡，粘贴密封胶带并封装真空尼龙薄膜；采用真空袋-热压罐法或者真空袋-烘箱法完成固 化； 第六步，拆除真空尼龙薄膜、透气毡、工艺均压板、聚四氟乙烯隔离膜、吸胶层以及聚四 氟乙烯隔离膜，将制品从成型模具中脱出。
2. -种基于间断铺层的复合材料薄壁壳体的制备方法，其特征在于步骤为： 第一步，制造薄壁壳体的成型模具； 第二步，制备预浸料； 第三步，根据薄壁壳体展开后的外形裁剪预浸料； 第四步，在第一步制备的成型模具上铺叠第三步裁减后的预浸料； 按照由外而内的顺序，最外一层记为第一层，依次为第二层、第三层、…第k层、…第 n层；第一层至第k层为完整铺层，第（k+1)层在四边形的圆弧过渡部位断开5?10mm，第 (k+2)层沿上一层断开部位每侧断开长度再增大5?10mm，依此规则直至第n层；k < n/2 ; n为薄壁壳体的层压层数，n > 2, n为自然数； 每铺叠一层预浸料后，铺覆一层聚四氟乙烯薄膜，然后用橡胶辊和电熨斗逐步碾压； 第五步，依次铺覆聚四氟乙烯隔离膜、吸胶层、聚四氟乙烯隔离膜、工艺均压板和透气 毡，粘贴密封胶带并封装真空尼龙薄膜；采用真空袋-热压罐法或者真空袋-烘箱法完成固 化； 第六步，拆除真空尼龙薄膜、透气毡、工艺均压板、聚四氟乙烯隔离膜、吸胶层以及聚四 氟乙烯隔离膜，将制品从成型模具中脱出。
3. 根据权利要求1或2所述的一种基于间断铺层的复合材料薄壁壳体的制备方法，其 特征在于：该薄壁壳体为一个通道状结构，该通道状结构沿轴向任意一个横截面均为四边 形，四边形的四个角均采用圆弧过渡。
4. 根据权利要求1或2所述的一种基于间断铺层的复合材料薄壁壳体的制备方法，其 特征在于：薄壁壳体采用纤维增强树脂基复合材料层压结构。
5. 根据权利要求1或2所述的一种基于间断铺层的复合材料薄壁壳体的制备方法，其 特征在于：薄壁壳体的增强材料为芳纶纤维、碳纤维或玻璃纤维。
6. 根据权利要求1或2所述的一种基于间断铺层的复合材料薄壁壳体的制备方法，其 特征在于：第一步，制备好成型模具后在模具的表面涂刷一层脱模剂，脱模剂耐受温度不低 于140°C，并晾干。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于间断铺层的复合材料薄壁壳体的制备方法，其 特征在于：预浸料采用织物或者单向带的形式。
【文档编号】B29C70/34GK104385626SQ201410522000
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】章令晖, 陈萍 申请人:北京空间机电研究所