一种高性能大尺寸碳纤维遮光罩、制备方法及其制备模具

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，特别是涉及一种高性能大尺寸碳纤维遮光罩、制备方法及其制备模具。

背景技术

太阳辐射广泛存在于空间环境中，包含太阳光与月球反射光。太阳辐射是造成航天故障的主要原因之一，对相机、望远镜等光学系统的影响尤为严重，会导致航天器材料或结构的损坏。为解决航天器在空间环境中受太阳辐射的问题，最有效的方法是在航天器上安装遮光罩机构。遮光面积与结构刚度是评价遮光罩机构的重要指标，如今，遮光罩机构也在向着轻质化、智能化的方向发展。

高性能碳纤维复合材料目前在遮光罩上开始广泛应用，相比传统的金属材料，其具有质量轻、刚度大、比强度和比模量高、耐疲劳、可设计性强等优点。苛刻的环境对遮光罩提出了越来越高的要求，不仅要求其具有足够的强度和刚度，还必须有非常高的可靠性。高的可靠性从某种角度上而言将导致外遮光罩质量的增加，而这与运载和发射费用低相矛盾。因此，在同时满足强度和刚度的前提下减轻遮光罩的质量，是本发明的主要考虑方向。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种高性能大尺寸碳纤维遮光罩、制备方法及其制备模具，以解决此前遮光罩结构质量大、成型工艺复杂的问题，该遮光罩遮光罩尺寸大、成型工艺简单，适用于对航天器的相机、望远镜等光学系统的保护，以防航天器相机、望远镜等在空间环境中受太阳辐射而损坏。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高性能大尺寸碳纤维遮光罩的制备方法，具体包括以下步骤：

A、网格筋成型：

A1准备复合材料碳纤维预浸料、金属分瓣模具、金属平板模具、透气毡、密封胶条、抽真空设备；

A2按照设计好的铺层在分瓣模具上铺贴复合材料碳纤维预浸料；

A3在金属平板上粘好密封胶条，将真空袋粘在密封胶条上；

A4将铺贴好预浸料的分瓣模具用隔离膜和透气毡包裹好；

A5通过抽真空装置对铺贴好预浸料的金属分瓣模具进行抽真空处理，当真空袋内压力达到-95KPa，达到-95KPa开始保持60-100min；

A6打开真空袋，将铺贴好预浸料的金属分瓣模具上的透气毡和隔离膜依次取下；

A6所有金属分瓣都按照A1-A5准备好后，将其用螺栓固定在内芯模具组装成内网格筋结构，供下一步骤蒙皮铺贴做准备；

B、蒙皮一体成型：

所有内网格筋结构都固定在内芯模具上后，按照设计好的铺层进行纤维一体化蒙皮的铺贴，每一层蒙皮复合材料碳纤维预浸料纤维都是连续不断的；

C、固化脱模：

将整体铺贴完所有设计好的预浸料铺层的复合材料碳纤维遮光罩的金属模具用金属外模组装起来，放入固化炉内，固化炉内温度从室温升至设计的固化温度，在150摄氏度和-90KPa～-80KPa压力下经过5小时完成固化，待固化炉内温度自然冷却降温至室温后脱模。

更进一步的，所述预浸料由高模量碳纤维和高性能环氧树脂组成，其中预浸料中环氧树脂的环氧值≥0.85，挥发物含量≤2％，凝胶时间为(40±5)min，凝胶温度为105℃，拉伸模量≥330GPa。

更进一步的，所述预浸料为热熔法制备，单层厚度0.15mm，碳纤维体积含量为(58±2)％，单位面积质量为(300±5)g/m

一种利用所述的高性能大尺寸碳纤维遮光罩的制备方法制备的遮光罩，包括网格筋和蒙皮，所述网格筋外包有蒙皮，所述网格筋为T字梁结构，与蒙皮采用预浸料一体成型。

更进一步的，所述遮光罩的高度为2米。

一种所述的高性能大尺寸碳纤维遮光罩的制备方法利用的制备模具，包括外加压框、内芯模具、多个分瓣模具、合围加压板和底板模具，所述多个分瓣模具位于复合材料遮光罩内部，所述复合材料遮光罩外周设置有合围加压板，所述合围加压板外周设置有外加压框，多个分瓣模具固定在内芯模具上，然后内芯模具固定在底板模具上。

更进一步的，所述合围加压板包括左加压板、后加压板、前加压板和右加压板，所述左加压板、后加压板、前加压板和右加压板合围设置。

更进一步的，多个分瓣模具通过螺栓固定在内芯模具上，然后内芯模具通过螺栓固定在底板模具上。

更进一步的，(1)所有分瓣模具铺放完成后，用螺栓固定在内芯模具上，所有网格筋预浸料厚度达到设计值，然后进行蒙皮的铺放，铺放角度按照0/90/45/-45循环进行，蒙皮铺放完成后，进行合模，

(2)固化完成后进行脱模操作，脱模顺序与合模顺序相反，依次脱外加压框、右加压板、左加压板、后加压板、前加压板、内芯模具和分瓣模具。

更进一步的，步骤(1)中的合模顺序为：

(1)用吊车吊装前加压板到设计位置，用螺栓固定在底板模具上；

(2)用吊车吊装后加压板到设计位置，用螺栓固定在底板模具上；

(3)用吊车吊装左加压板到设计位置，用螺栓固定在底板模具上；

(4)用吊车吊装右加压板到设计位置，用螺栓固定在底板模具上；

(5)将内芯模具、分瓣模具、左加压板、后加压板、复合材料遮光罩、前加压板和右加压板都用外加压框罩起来，且所有螺栓都拧到设计位置，最后进行固化。

与现有技术相比，本发明所述的一种高性能大尺寸碳纤维遮光罩、制备方法及其制备模具的有益效果是：

(1)本发明设计了一种易组装、易成型的模具结构，采用这种模具结构设计出一种高性能空间相机复材遮光罩结构。这种复合材料遮光罩为蒙皮内加网格筋，这种内加网格筋结构保证整个遮光罩系统的稳定性同时降低了整个遮光罩的质量，且成型工艺可实现周期短，可为批量化生产做出准备。

(2)本发明采用金属对模工艺和预浸料铺放工艺，碳纤维增强复合材料遮光罩整体结构一体成型，复合材料遮光罩内网格加筋，大尺寸外蒙皮与内网格筋共同固化一体成型，保证了纤维的连续。

(3)本发明根据复合材料遮光罩结构特点，成型工艺采用热熔预浸料铺放技术，金属模具对模加压并加热固化成型工艺。预浸料铺放工艺可以很好的保证每一层的铺放角度，能够最大程度的保证加强筋和蒙皮纤维的连续，使产品的性能与实际计算结果相匹配。金属对模加压工艺对于复杂的结构件可以很好的保证产品的尺寸，合模过程中对于产品的壁厚可以很好的掌控。

(4)本发明的工艺可靠，产品成型和脱模时模具可以方便拆装，同时有定位基准，可以保证模具拼装后的整体尺寸公差。

附图说明

构成本发明的一部分的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。在附图中：

图1为本发明所述的碳纤维遮光罩的正三轴测图；

图2为本发明所述的碳纤维遮光罩的左视图；

图3为本发明所述的碳纤维遮光罩的前视图；

图4为本发明所述的碳纤维遮光罩的俯视图；

图5为本发明所述的遮光罩模具的爆炸图；

图中：1-网格筋；2-蒙皮；3-外加压框；4-内芯模具，5-分瓣模具；6-左加压板；7-后加压板；8-复合材料遮光罩；9-前加压板；10-右加压板；11-底板模具。

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、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，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。

一、具体实施方式一，参见图1-5说明本实施方式，一种高性能大尺寸碳纤维遮光罩的制备方法，具体包括以下步骤：

A、网格筋1成型：

A1准备复合材料碳纤维预浸料、金属分瓣模具、金属平板模具、透气毡、密封胶条、抽真空设备；

A2按照设计好的铺层在金属分瓣模具5上铺贴复合材料碳纤维预浸料；

A3在金属平板上粘好密封胶条，将真空袋粘在密封胶条上；

A4将铺贴好预浸料的金属分瓣模具5用隔离膜和透气毡包裹好；

A5通过抽真空装置对铺贴好预浸料的金属分瓣模具5进行抽真空处理，当真空袋内压力达到-95KPa，达到-95KPa开始保持60-100min；

A6打开真空袋，将铺贴好预浸料的金属分瓣模具5上的透气毡和隔离膜依次取下；

A6所有金属分瓣都按照A1-A5准备好后，将其用螺栓固定在内芯模具4上组装成内网格筋结构，供下一步骤蒙皮铺贴做准备；

B、蒙皮2一体成型：

所有内网格筋结构都固定在金属内芯模具4上后，按照设计好的铺层进行纤维一体化蒙皮的铺贴，每一层蒙皮复合材料碳纤维预浸料纤维都是连续不断的；

C、固化脱模：

将整体铺贴完所有设计好的预浸料铺层的复合材料碳纤维遮光罩的金属模具用金属外模组装起来，放入固化炉内，固化炉内温度从室温升至设计的固化温度，在150摄氏度和-90KPa～-80KPa压力下经过5小时完成固化，待固化炉内温度自然冷却降温至室温后脱模。

网格加强筋及蒙皮2一体成型，虽然本工艺对模具要求较高，但是对于产品来说，单独成型需预留连接翻边，同时胶结、螺接也会增加一定的重量，故整体蒙皮加强筋一体成型可以大大节省了重量，同时使产品的整体工艺能够能加贴合有限元计算。

(1)、网格筋1采用分瓣模具对模成型工艺和预浸料铺放成型工艺制备成型

(2)、将所有预浸料铺发完成的分瓣模具组装在一起后，采用预浸料一体化成型蒙皮2；

(3)、将加工好的遮光罩进行机加、装配，保证工作状态下的结构强度。

预浸料由高模量碳纤维和高性能环氧树脂组成。预浸料中环氧树脂的环氧值≥0.85，挥发物含量≤2％，凝胶时间(105℃)(40±5)min，拉伸模量≥330GPa。

预浸料的制备：

1、准备好原材料高模量碳纤维、高性能树脂、热熔预浸机；

2、配制高性能树脂体系；

3、采用热熔预浸机在适合温度下对高模量纤维进行浸渍，将浸渍好的预浸料用聚乙烯塑料薄膜和离型纸卷起来，供下一步骤的铺放使用。

预浸料的制备通常使用热熔法，经过热处理或化学处理的增强材料，经浸胶槽浸渍树脂胶液，通过刮胶装置和牵引装置控制预浸料的树脂含量，在一定温度下，经过一定时间的烘烤，完成预浸料的制备。

预浸料为热熔法制备，单层厚度0.15mm，碳纤维体积含量为(58±2)％，单位面积质量为(300±5)g/m

对模成型工艺和预浸料铺放成型工艺：

金属对模工艺为在金属阴模或金属阳模上按照要求先进行预浸料铺放，铺放完成后将金属阳模或金属阴模合上，在一定温度和一定压力下进过一段时间完成固化的一种工艺。本发明具体为在150摄氏度和-90KPa～-80KPa压力下经过5小时完成固化。

预浸料铺放工艺为具有一定厚度的纤维与树脂组成的预浸料按照一定铺层方式和铺层角度，按照顺序铺放的复合材料成型工艺，此工艺可以发挥复合材料可设计性强的优点，满足尺寸大、异型结构的成型。本发明采用厚度为0.15mm厚的预浸料进行产品的设计，采用0°、90°、45°或-45°等铺层角度循环铺放的方式进行。

所述的高性能大尺寸碳纤维遮光罩，包括网格筋1和蒙皮2，所述网格筋1外包有蒙皮2，所述网格筋为T字梁结构，与蒙皮2采用预浸料一体成型。

所述遮光罩的高度为2米。

复合材料碳纤维遮光罩采用高性能碳纤维环氧树脂预浸料成型，本发明的遮光罩尺寸大，高度达2米左右，蒙皮2和加强网格筋1一体成型，这种成型方式能够最大限度地保证复合材料碳纤维预浸料的连续，保证复合材料碳纤维遮光罩的性能稳定性和尺寸可靠性。但大尺寸连续蒙皮2对模具的要求较高，遮光罩结构模具尺寸较大，所需分瓣较多，所有分瓣模具形面都存在吻合的问题，如吻合不好，将直接影响产品的性能及结构尺寸。

与传统的金属材料的遮光罩相比，本发明的高性能大尺寸碳纤维遮光罩具有质量轻、材料密度小、结构强度大等优点，这种碳纤维复合材料支撑框架在支撑空间遥感相机正常工作的同时可高度实现轻量化。

高性能大尺寸碳纤维遮光罩结构为T字梁网格筋结构加上尺寸大、厚度薄的蒙皮结构，此碳纤维遮光罩是网格筋1和等厚蒙皮2一体成型制得的。蒙皮内包含一体成型的环纵加强筋，这种环纵加强筋可看作一种T字梁结构，且此遮光罩设计不到1mm厚的法兰翻边，便于后续遮光罩整体对接，提高了结构整体抗扭刚度和降低了整个产品的质量。

与目前的碳纤维复合材料遮光罩相比，本发明的碳纤维复合材料遮光罩结构由更为稳定的内中空构型T字梁结构组成，这种内中空构型T字梁结构由反7字型结构和7字型结构组合而成，反7字型结构和7字型结构通过金属模具组合在一起之后，呈现T字，这种T字结构在保证大承载的同时，降低了整个遥感相机系统的质量，并保证整个遥感相机系统的高稳定性和高尺寸精度。且各个T字梁结构与蒙皮2一体成型，既提高整体刚度，又为后续装配提供接口。

复合材料相较于金属材料具有密度更小，比强度高、比模量高等优点，故复合材料与金属材料在相同承载的情况下质量更小，在航空航天领域，复合材料作为遥感相机的支撑结构，可显著降低整个空间系统的质量，对于降低卫星发射成本、提高整个遥感相机系统的稳定性具有重大作用。且由于复合材料的可设计性强，在满足设计要求的同时，可通过优化碳纤维预浸料的成型方式提高遥感相机的尺寸精度。

网格筋1的T字梁的每个边的厚度可控制在1mm-2mm之间。本发明的结构由高性能复合材料碳纤维预浸料成型，复合材料碳纤维预浸料可设计性强，可根据载荷大小灵活控制T字梁结构的厚度，如承载小，T字梁筋1的T字梁的每个边厚度可以控制在1mm左右；如承载大，T字梁筋1的T字梁的每个边厚度可以控制在2mm左右。与之一体成型的蒙皮结构需按照T字梁结构的厚度呈正相关成型以满足设计要求，且蒙皮2的大小可根据要求设计。

所述的高性能大尺寸碳纤维遮光罩的制备方法利用的制备模具，包括外加压框3、内芯模具4、多个分瓣模具5、合围加压板和底板模具11，内芯模具4用于固定分瓣模具5，所述多个分瓣模具5位于复合材料遮光罩内部，所述复合材料遮光罩8外周设置有合围加压板，所述合围加压板外周设置有外加压框3，多个分瓣模具5固定在内芯模具4上，然后内芯模具4固定在底板模具11上。

所述合围加压板包括左加压板6、后加压板7、前加压板9和右加压板10，所述左加压板6、后加压板7、前加压板9和右加压板10合围设置。

多个分瓣模具5通过螺栓固定在内芯模具4上，然后内芯模具4固定在底板模具11上。

所述高性能大尺寸碳纤维遮光罩的制备模具的使用方法为：

(1)、所有分瓣模具5铺放完成后，用螺栓固定在内芯模具4上，分瓣模具5固定完成，所有网格筋预浸料厚度达到设计值，然后进行大蒙皮2的铺放，铺放角度按照0/90/45/-45循环进行，大蒙皮2铺放完成后，进行合模，合模顺序为①用吊车吊装前加压板9到设计位置，用螺栓固定在底板模具11上；②用吊车吊装后加压板7到设计位置，用螺栓固定在底板模具11上；③用吊车吊装左加压板6到设计位置，用螺栓固定在底板模具11上；④用吊车吊装右加压板10到设计位置，用螺栓固定在底板模具11上；⑤将内芯模具4，分瓣模具5，左加压板6，后加压板7，复合材料遮光罩8，前加压板9，右加压板10，都用外加压框3罩起来，且所有螺栓都拧到设计位置，最后进行固化。

(2)、固化完成后进行脱模操作，脱模顺序与合模顺序相反，依次脱外加压框3、右加压板10、左加压板6、后加压板7、前加压板9、内芯模具4、分瓣模具5等。

本发明采用了一种金属对模工艺，这种工艺模具由各个分瓣模具5组成，分瓣成型模具单独制造，和底板模具11组装成内网格筋模具结构，以便制备网格筋1。各分瓣模具5保证了遮光罩的形状和尺寸精度满足设计要求，底板模具11保证各个分瓣模具5可固定。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。