一种多空腔碳纤维复合材料横梁及其制备方法

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料横梁技术领域，具体涉及一种多空腔碳纤维复合材料横梁及其制备方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

目前汽车航空航天领域，为提高生产效率，使用更多机械生产，在支撑机械臂、龙门架生产的横梁大多使用金属制品。无论是铝质型材还是钢材，在焊接工艺过程存在成本高、质量重、不方便移动、不耐腐蚀、使用寿命较短等问题。碳纤维材料具有较强的抗拉强度、同时耐腐蚀、耐磨、使用寿命长、密度小质量轻，所以利用碳纤维横梁对金属横梁的替代具有重要意义。然而目前使用的横梁具有多个空腔或外形奇异，该种结构势必会存在不同区域的厚度不同、不同区域所受应力不同等问题，但是现有的碳纤维复合材料模压成型方法，在厚度不同的区域仅通过铺设不同层数的碳纤维预浸料然后进行模压实现，使得不同厚度区域之间的连接较为薄弱，难以保证该种横梁的整体强度。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种多空腔碳纤维复合材料横梁及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供一种多空腔碳纤维复合材料横梁的制备方法，包括如下步骤：

清理模具，在模具表面涂抹脱模剂，并在下模铺贴碳纤维单向预浸料；

将易脱模的离型异型气袋包覆的芯模置于预浸料上，利用粘结剂在芯模表面铺贴预浸料；

在上模内铺贴预浸料，然后合模加压，加热固化成型，横梁的拐角处设置有内凹的圆角；

在不同应力区域之间的连接区或不同厚度区域的连接区或内凹的圆角处采用丢层铺设方式，使厚度小的区域向厚度大的区域，或应力小的区域向应力大的区域铺层数量逐渐增大。

虽然采用芯模是空腔成型的一种常见方法，但是发明人发现存在以下问题，比如空腔长度较长，芯模不易拔出或拔出后空腔内部表面不光滑，所以采用芯模加离型异型气袋的方式，在铺贴和成型后拔出芯模过程，都比较容易，而且有利于构件内部表面的直线度，整齐性。同时，通过采用离型异型气袋可以降低模具工装的成本，间接降低横梁的成本。

该离型异型气袋的使用方法：首先在铺贴预浸料前将离型异型气袋套在芯模上，然后充气，在离型异型气袋上开始铺贴；在成型后将气袋的气放掉，该离型异型气袋表面经过处理，易脱模。所以芯模也好拔出，且内表面较平整。

在满足连接作用以外，在横梁上设置多空腔，有利于减重，同时方便从空腔中间穿过线路。

本发明的碳纤维复合材料横梁在制备过程中，碳纤维铺层方式，采用丢层结构设计，在不同厚度区域之间的连接区以及不同应力区域之间的连接区采用渐进式连接结构，实现了各连接位置处的碳纤维的铺设的连续性，避免了应力集中。保证了采用碳纤维复合材料模压成型得到的多空腔或外形奇异的横梁整体强度。

本发明的丢层主要为避免圆角处厚度不相同导致应力集中。

横梁的拐角处设置有内凹的圆角，可以增大接触面积，降低应力集中。

为方便芯膜脱模，将芯模采用离型异型气袋包覆，该材料表面一层带胶，可以粘接在芯模上，预浸料可以在另一面开始铺层，且铺贴面由易脱模材料制成。

在一些实施例中，丢层铺设区域，相邻两铺层之间的错位宽度为4-6mm，每层的厚度为0.1-0.3mm。

在一些实施例中，进行铺层时，最外层采用T300碳纤维织物预浸料。有利于在模压过程中使横梁外表面保持良好的纹理，还可以提高横梁的承载能力，并提升横梁的表面美观度。

在一些实施例中，在横梁应力均匀平整区铺设的碳纤维预浸料的层数小于应力集中区域的碳纤维预浸料的铺设层数。

优选的，在应力小的区域进行丢层设计。

在一些实施例中，进行铺层时，0°、45°、90°和-45°交替铺设。采用该种铺设方式对称均衡铺设，可以有效降低成型过程中的变形问题，并减小层间应力。

在一些实施例中，加热固化过程中，第一阶段按2-5℃/min升温至130-170℃，保温20-40min；第二阶段按1-3℃/min升温至190-210℃，保温100-140min；第三阶段降温。

第一阶段为凝胶过程，第二阶段是固化过程；第一阶段的升温速度较快，是为了尽快达到其胶凝温度，提高胶凝效果。而固化过程达到固化温度即可，没有时间要求，所以凝胶升温速度要略高于固化升温速度。

凝胶过程中树脂体系不同分子链发生胶连反应；固化过程总分子链硬化、固定，两者对应的反应不同，所以保温反应时间也不同。

优选的，第一阶段和第三阶段不加压，第二阶段的加压压强为18-25MPa。

第二方面，本发明提供一种多空腔碳纤维复合材料横梁，由所述制备方法制备而成。

上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：

本发明涉及机械制造领域，具体涉及一种轻质量、高强度且抗冲击的碳纤维复合材料横梁。碳纤维复合材料横梁主要由T300碳纤维单向预浸料和T300织物预浸料组成，并通过不同铺层方式对横梁进行设计，可以解决当下机械制造行业金属材质横梁密度大、成本高、不耐腐蚀、不耐磨等影响生产效率的不良效果。同时也解决了复合材料多空腔难一体成型的问题，制造生产效率较传统提升50％，使用寿命较传统横梁提升2到3倍。本发明的制备方法除可以应用于机械制造领域以外，还可以应用于航空航天、飞行器等的制造。

碳纤维具有低密度、高模量的优势，碳纤维复合材料横梁可以有效的减轻传统机械制造领域横梁的质量，抗冲击性能优异；其中模压成型在采用低成本整体成型工艺的前提下可以更好地提高部件一体化程度，解决空腔成型困难等问题，实现机械制造设备的整体减重，降低能耗，减少维修成本等。

本发明利用碳纤维树脂基纤维复合材料天然的材料优势和成型优势，解决了机械制造领域横梁的制造成本高、质量大，易腐蚀、不耐磨等问题。本发明能有效的保持横梁在机械制造领域应用的前提下，还可以实现减重、一体化成型、避免振动造成的精度不准、降低能耗、实现批量化生产等优势。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的制备流程图；

图2是本发明实施例的碳纤维横梁的模型图以及各向视图，其中，(a)为碳纤维横梁模型图；(b)为碳纤维横梁主视图结构示意图；(c)为碳纤维横梁侧视图结构示意图；(d)为碳纤维横梁俯视图结构示意图；

图3是本发明实施例的成型方法示意图；

图4是本发明实施例的丢层设计示意图；

图5是本发明实施例的模压成型固化工艺示意图，其中，(a)为模压成型温度变化示意图；(b)为模压成型压力变化示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种碳纤维复合材料横梁的模压成型制备工艺，包括如下步骤：

碳纤维横梁的制备流程如图1所示，3D模型如图2(a)所示，横梁包括三个空腔，分别为第一空腔、第二空腔和第三空腔，第一空腔和第三空腔分别位于第二空腔的两侧，第一空腔的长为22mm，宽为42mm，宽度方向壁厚为7mm，长度方向壁厚为4mm；第二空腔的长为70mm，宽为38mm，壁厚为4mm；第三空腔的长为22mm，宽为42mm，宽度方向壁厚为7mm，长度方向壁厚为4mm。

第一空腔和第三空腔的拐角处设置有圆角R1，存在圆角可以增大接触面积，降低应力集中。

首先清理模具，并在模具表面涂抹脱模剂；在模具下模铺贴预浸料，铺至4mm后，将易脱模的真空袋包覆的芯膜放置在预浸料上，并利用粘结剂在芯膜表面铺贴预浸料；然后在上模进行预铺贴；最后将上模合在下模，放置在自加热的压机工作台上；该碳纤维横梁三视图，如图2(b)、(c)、(d)，其成型方式简图，如图3所示。

铺层设计铺层数及顺序，如图4所示，其铺层数量范围在35-25层，最外层采用T300碳纤维织物预浸料，有利于模压过程中保持外表面良好的纹理，在应力均匀平整区域采用30层的铺层数量，而在应力集中较大的拐角及连接区采用35层铺层数的设计，两者区域之间材料平滑过渡的丢层设计铺层数为33或者31层，在应力较小的区域进行丢层设计，采用铺层数为25或者27层(丢层方式如图5所示)。整个铺层设计将采用对称均衡的设计理念，将有效降低成形过程中的变形问题并减小层间应力。

其固化工艺如图6所示，第一阶段按照3℃/min升温到150℃，保持温度恒定保温时间30min；第二阶段按照2℃/min升温到200℃，保温120min；第三阶段按照-2℃/min升温到降温到室温，第一阶段和第三阶段不给压力，在第二阶段固化过程给20Mpa的工艺。

脱模，后处理，QC检验，移交产品。

表1铺层方式

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。