一种承载-透波-屏蔽一体化复合材料舱体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐高温的承载-透波-屏蔽一体化复合材料舱体及其制备方法，属于复合材料技术领域。

背景技术

目前舱体轻量化研究是国内外研究的重点之一，树脂基复合材料具有轻质、高强、设计性高的特点，采用树脂基复合材料替代传统金属材料进行舱体制备，可以实现有效的减重，提高燃油效率和载荷能力并且可以降低生产成本，缩短生产周期。

传统复合材料舱体大多采用环氧树脂复合材料，但是随着高速化的发展，对复合材料舱体的耐温等级提出了更高的要求，聚酰亚胺、邻苯二甲腈等树脂体系兼具耐高温、高承载的特性，成为了当前综合性能最为优异的耐高温树脂体系。

传统舱体实现透波功能往往是通过在金属舱体上进行加工开窗，采用胶接或铆接与复合材料窗口连接组合，这种方式的成型与装配关系复杂，同时金属舱体因复杂的结构只能采用3D打印制备，效率低，成本居高不下。而承载-透波-屏蔽一体化结构是一种新型的集多种功能于一体的复合材料构件结构形式，承载结构选用碳纤维增强树脂基复合材料，透波区选用石英纤维增强树脂基复合材料，屏蔽层选用金属材料。承载结构、透波区和屏蔽层采用整体共固化成型工艺制备。整体共固化成型替代了传统胶接、铆接等分体成型方法，有效保证了舱体的整体性能和内部质量，提高结构效率，使该结构具有良好的承载能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种轻量化的承载-透波-屏蔽一体化复合材料舱体及其制备方法，一体化复合材料舱体以碳纤维增强耐高温树脂基复合材料作为承载结构，石英纤维增强耐高温树脂基复合材料作为透波区，金属材料作为屏蔽层，复合材料采用整体共固化方式经模压成型或热压罐成型工艺制备。

本发明的技术解决方案：

一种承载-透波-屏蔽一体化复合材料舱体，包括承载结构、透波区和屏蔽层；该承载结构作为舱体的主体部分，选用碳纤维增强树脂基复合材料；该透波区位于舱体上透波窗口，选用石英纤维增强树脂基复合材料；该屏蔽层铺覆于承载结构的外表面，选用金属材料；该承载结构、透波区和屏蔽层采用整体共固化成型制成。

一种承载-透波-屏蔽一体化复合材料舱体制备方法，包括以下步骤：

(1)将碳纤维单向预浸料铺覆于模具中用于成型承载结构的位置上，在复合材料舱体成型模具的透波区位置使用金属占位块进行占位，然后进行预成型；

(2)预成型完成后将屏蔽层材料铺覆于承载结构外侧，并在屏蔽层外侧铺覆碳布预浸料，取下金属占位块；

(3)将石英纤维预浸料放置于模具的透波区位置上；

(4)将用于成型承载结构的碳纤维单向预浸料、透波区的石英纤维预浸料和屏蔽层材料进行整体共固化成型，固化完成后自然冷却至室温，进行脱模，得到承载-透波-屏蔽一体化复合材料舱体。

进一步地，步骤(1)中所述碳纤维单向预浸料使用的碳纤维采用T700级、T800级、T1000级、M40级等一种或几种，根据舱体设计承载能力进行选择；所述碳纤维单向预浸料使用的树脂体系包括但不限于聚酰亚胺树脂、邻苯二甲腈树脂。

进一步地，步骤(1)所述碳纤维单向预浸料为热熔法预浸料或湿法预浸料；热熔法预浸料无需溶剂预处理可直接进行预成型；湿法预浸料中一般含有溶剂，为避免在固化过程中溶剂挥发导致的孔隙率增加问题，在预成型之前需进行溶剂预处理，溶剂预处理采用真空袋封装后加热真空抽除的方式，加热温度为80～200℃，抽除时间为2～4.5h，根据溶剂种类选择适当溶剂预处理参数。

进一步地，步骤(1)中所述预成型为进行合模并置于压机上，在200～260℃下预成型2.5～4h，预成型完成后进行外模脱模。

进一步地，步骤(2)中在所述屏蔽层材料的内侧铺覆一层含载体的树脂薄膜，该载体选用短切碳纤维，树脂薄膜选用与所述碳纤维单向预浸料同种树脂体系，薄膜厚度为0.25～0.5mm，可以消除金属材料与复合材料之间的热应力差异。

进一步地，步骤(2)所述屏蔽层材料选用铜网、钛箔、镀镍碳布中的一种或多种，每种的厚度均为0.2～0.8mm。

进一步地，步骤(2)中所述碳布预浸料使用的碳布选用但不限于T300-3K、T700-6K，使用的树脂体系与所述碳纤维单向预浸料使用的树脂体系相同。

进一步地，步骤(3)中所述石英纤维预浸料选用单向石英纤维预浸料或石英纤维布预浸料，其中石英纤维的SiO

进一步地，步骤(4)中所述整体共固化成型为采用高温压机模压或者热压罐方式成型，固化程序为200～240℃/2～4h+240～300℃/0.5～2h+280～380℃/2～3h，加压点为220～320℃。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)为防止碳纤维对透波区侵入污染造成透波性能下降，本发明在透波区相应位置采用金属占位块占位，能够防止污染，用螺钉进行连接，保证位置准确性；预成型后取下金属占位块。

(2)本发明所述的承载-透波-屏蔽一体化复合材料相较于传统金属结构方案减重27％以上，可有效实现结构减重；

(3)本发明中使用碳纤维/石英纤维复合材料代替金属结构可降低生产成本，并缩短生产周期；

(4)本发明所述的整体共固化成型相较于传统胶接、铆接等分体成型方法，可大大减少装配环节，有效保证了舱体的整体性能和内部质量，提高结构效率，使该结构具有良好的承载能力。

(5)本发明所述的复合材料舱体具有耐高温的特点，无外防热层的条件下长时使用温度可达400℃以上。

附图说明

图1是一种承载-透波-屏蔽一体化复合材料舱体的示意图。

图2是一种承载-透波-屏蔽一体化复合材料舱体表面的示意图。

图中：1-承载结构，2-透波区，3-屏蔽层。

具体实施方式

为使本发明的上述技术方案中各项技术特征和各项优点或技术效果能更明显易懂，下文配合附图进行详细说明。

实施例1

将4mm的T700级碳纤维/聚酰亚胺预浸料铺覆在模具上，安装透波区占位块，用真空袋进行封装，在200℃烘箱中进行3.5h溶剂预处理，合模，在260℃的条件下预成型4h。待温度降至室温后打开模具，在T700级碳纤维/聚酰亚胺预浸料外侧铺覆一层厚度0.3mm的树脂薄膜和一层厚度0.4mm的镀镍碳布，然后取下透波区占位块。将2mm石英纤维布/聚酰亚胺预浸料铺覆于占位块所占区域。合模，采用模压工艺制备复合材料，固化制度为：240℃/3h+300℃/0.5h+380℃/3h，加压点为320℃，固化完成后自然冷却至室温，脱模得到承载-透波-屏蔽一体化复合材料舱体。

实施例2

将4mm的T800级碳纤维/邻苯二甲腈预浸料铺覆在模具上，安装透波区占位块，合模，在160℃的条件下预成型2h，在200℃的条件下预成型2.5h。待温度降至室温后打开模具，在T800级碳纤维/邻苯二甲腈预浸料外侧铺覆厚度0.25mm的树脂薄膜、厚度0.25mm的铜网、厚度0.2mm的平纹碳布各一层，然后取下透波区占位块。将2mm石英纤维布/邻苯二甲腈预浸料铺覆于占位块所占区域。采用热压罐工艺制备复合材料，真空度为-0.090MPa，固化制度为：200℃/4h+240℃/2h+280℃/2h，加压点为220℃，固化后自然冷却至室温，脱模，然后在380℃烘箱中后处理4h，得到承载-透波-屏蔽一体化复合材料舱体。

实施例3

将4mm的T700级碳纤维/聚酰亚胺预浸料铺覆在模具上，安装透波区占位块，用真空袋进行封装，在80℃烘箱中进行4.5h溶剂预处理，合模，在240℃的条件下预成型3h。待温度降至室温后打开模具，在T700级碳纤维/聚酰亚胺预浸料外侧铺覆一层厚度0.5mm的树脂薄膜和一层厚度0.8mm的镀镍碳布，然后取下透波区占位块。将2mm石英纤维布/聚酰亚胺预浸料铺覆于占位块所占区域。合模，采用模压工艺制备复合材料，固化制度为：220℃/2h+280℃/1h+320℃/2.5h，加压点为280℃，固化完成后自然冷却至室温，脱模得到承载-透波-屏蔽一体化复合材料舱体。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的适当修改或者等同替换，均应涵盖于本发明的保护范围内，本发明的保护范围以权利要求所限定者为准。