一种高强度碳纤维复合材料底板、制备方法及制备模具

技术领域

本发明属于高性能树脂基复合材料技术领域，特别是涉及一种高强度碳纤维复合材料底板、制备方法及制备模具。

背景技术

随着遥感技术的发展和结构加工工艺的进步，对遥感相机主支撑结构的轻量化设计技术研究成为了可能。卫星发射阶段的振动载荷会引发剧烈震动，这种剧烈振动很容易对空间相机内部结构造成破坏，所以遥感相机的支撑结构对整个相机的可靠性尤为重要。空间相机支撑稳定性的提高，往往意味着整个相机系统质量的增加。

碳纤维复合材料具有比模量高、比强度大、稳定性高，承力相等的情况下相比较金属材料具有更小的质量。高性能复合材料底板，具有结构复杂、形位精度要求高、模具设计难度大等特点。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种高强度碳纤维复合材料底板、制备方法及制备模具，以解决了之前卫星遥感相机支撑结构质量大、稳定性差、成型工艺复杂等问题，采用此模具成型的复合材料底板，底板支撑强度高、成型工艺简单，特别适用于遥感卫星相机支撑结构。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高强度碳纤维复合材料底板的制备方法，具体包括以下步骤：

A、制备反C字型筋和C字型筋：

A1在反C字型分瓣模具上粘上一层1mm厚的反C字型分瓣模具热膨胀橡胶，在C字型分瓣模具上粘上一层1mm厚的C字型分瓣模具热膨胀橡胶；反C字型分瓣模具热膨胀橡胶与C字型分瓣模具热膨胀橡胶厚度相等；

A2在反C字型分瓣模具热膨胀橡胶的反C字型分瓣模具上按照设计要求铺上复合材料碳纤维预浸料，其中，反C字型筋上横边、反C字型筋竖直边、反C字型筋下横边采用复合材料预浸料一体成型，纤维连续；

A3在粘好C字型分瓣模具热膨胀橡胶的C字型分瓣模具上按照设计要求铺上复合材料碳纤维预浸料，其中，C字型筋上横边、C字型筋竖直边、C字型筋下横边采用复合材料预浸料一体成型，纤维连续；

B、将反C字型筋和C字型筋组合：

B1将反C字型筋和C字型筋组合在一起，反C字型筋和C字型筋组合在一起后，反C字型筋上横边与C字型筋上横边处于同一水平；反C字型筋竖直边与C字型筋竖直边贴合在一起；反C字型筋下横边与C字型筋下横边处于同一水平；

C、抽真空，反C字型筋和C字型筋组合到一起后，采用真空袋法对其进行抽真空处理；

C1准备金属平板、真空袋、密封胶条、隔离膜、透气毡和抽真空设备；

C2在金属平板上粘好密封胶条，将真空袋放置在密封胶条上备用；

C3用隔离膜、透气毡将组合在一起的反C字型筋分瓣模具和C字型筋分瓣模具整体包好；

C4将整个反C字型筋分瓣模具和C字型筋分瓣模具放在真空袋内进行抽真空，在真空袋内压力达到所需值时保持一段时间，保持完一段时间后卸下真空袋内压力，将所有分瓣模具组装起来，供碳纤维复合材料底板蒙皮铺贴使用；

D、铺贴蒙皮：

按照设计好的铺层进行碳纤维复合材料底板蒙皮的铺贴，复合材料底板蒙皮采用连续的碳纤维预浸料逐层铺贴，在所有碳纤维预浸料蒙皮铺贴完毕后，重复步骤C，以便排除掉预浸料铺贴过程中各层预浸料间的气泡，抽真空直至所有预浸料表面光滑无褶皱；

E、底板模具合模：

将一体成型完成的碳纤维复合材料底板按照设计要求合上金属外模，合模顺序依次为前加压板、后加压板、左加压板、右加压板、上加压板、下加压板和外加压框；

F、固化碳纤维复合材料底板：

按照碳纤维预浸料固化制度对碳纤维复合材料底板进行固化，将整个模具放进固化炉中，在150℃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至室温后打开固化炉，将产品脱模；

G、脱模：

脱模顺序与合模顺序相反，依次脱模外加压框、下加压板、上加压板、右加压板、左加压板、后加压板和前加压板，最后脱两个分瓣模具，然后得到设计的碳纤维复合材料底板。

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，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，高模量预浸料碳纤维的环氧值≥3000MPa，拉伸模量≥330GPa。

更进一步的，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

更进一步的，预浸料铺放方式为：采用厚度为的0.15mm厚的纤维与树脂组成的预浸料按照0°、90°、45°或-45°铺层角度循环铺放。

一种高强度碳纤维复合材料底板的制备方法制备的底板，该底板为日字形框架，该框架包括复合材料工字梁加强筋和蒙皮，所述复合材料工字梁加强筋外包有蒙皮，且由预浸料铺放共固化一体成型；

所述复合材料工字梁加强筋包括反C字型工字梁筋和C字型工字梁筋，所述反C字型工字梁筋和C字型工字梁筋背对设置。

一种制备高强度碳纤维复合材料底板的模具，包括四周加压板、分瓣模具和外加压框，所述分瓣模具位于复合材料底板的内部，所述四周加压板位于复合材料底板的外周，所述外加压框位于四周加压板的外周。

更进一步的，所述四周加压板包括右加压板、前加压板、上加压板、下加压板、左加压板和后加压板，所述右加压板、前加压板、上加压板、下加压板、左加压板和后加压板围成六面体。

更进一步的，所述分瓣模具包括反C字型分瓣模具和C字型分瓣模具，所述反C字型分瓣模具位于反C字型筋内部，所述C字型分瓣模具位于C字型筋内部。

更进一步的，在反C字型分瓣模具上粘有反C字型分瓣模具热膨胀橡胶，在C字型分瓣模具上粘有C字型分瓣模具热膨胀橡胶。

更进一步的，反C字型分瓣模具热膨胀橡胶与C字型分瓣模具热膨胀橡胶厚度相等。

与现有技术相比，本发明所述的一种高强度碳纤维复合材料底板、制备方法及制备模具的有益效果是：

(1)为兼顾提高空间相机整体稳定性和降低空间相机整体质量，本发明设计了一种高强度碳纤维复合材料底板模具，利用此模具成型的碳纤维复合材料底板既降低了相机整个系统的质量，又提高了相机系统的整体稳定性。

(2)利用本发明的模具成型的遥感相机底板作为主支撑结构，具有质量轻、强度高、形式简单，易于装调等特点，适用于轻量化程度高的同轴空间相机主支撑结构。

(3)本发明设计的复合材料底板成型模具，在产品研制过程中，模具设计上采用串联式组合模具，成型工艺上采用整体成型、二次固化的方案，解决了截面模具设计成型和脱模难题，设计的各种装配工装模具很好地保证了底板平面度、平行度和孔的相对位置等技术难题。

(4)本发明采用复合材料制作复合材料底板，成型工艺可实现周期短，重量轻并且与金属同比下强度高，能够实现批量生产。

(5)本发明所述的高强度碳纤维复合材料底板，采用碳纤维高性能树脂复合材料，其工字梁结构的作用是承受载荷，且工字梁中空结构有效降低整个底板结构的重量。

(6)本发明设计了金属对模工艺，此工艺成型的工字梁结构既承担了整个空间相机的支撑作用，又承担着为整个结构减重的作用。

(7)本发明的模具在满足碳纤维复合材料底板设计要求的同时，模具简单、易成型、易脱模，且模具可以多次使用，能够实现碳纤维复合材料底板的批量化生产。

(8)本发明提供了一种纤维复合材料底板模具，解决了之前卫星遥感相机支撑结构质量大、稳定性差、成型工艺复杂等问题，底板零部组件均设计制造一体化，且一体成型，既保证整体结构强度和刚度，又减少不可预估的重量。工字梁与蒙皮一体成型，既提高整体刚度，又为后续装配提供接口。

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复合材料底板的正等测图；

图2为本发明所述的碳纤维复合材料底板模具和底板的横截面放大图；

图3为本发明所述的碳纤维复合材料底板的左视图、右视图、俯视图、仰视图；

图4为本发明所述的碳纤维复合材料底板的主视图；

图5为本发明所述的碳纤维复合材料底板的后视图；

图6为本发明所述的碳纤维复合材料底板模具的爆炸图；

图中：1-工字梁加强筋；2-蒙皮；3-右加压板；4-前加压板；5-上加压板；6-下加压板；7-复合材料底板；8-分瓣模具；9-外加压框；10-左加压板；11-后加压板；a-反C字型分瓣模具；b-C字型分瓣模具；c-反C字型分瓣模具热膨胀橡胶；d-C字型分瓣模具热膨胀橡胶；e-反C字型筋上横边；f-反C字型筋竖直边；g-反C字型筋下横边；h-C字型筋上横边；i-C字型筋竖直边；j-C字型筋下横边；k-反C字型筋上横边与C字型上横边两者合在一起后自然形成的过渡圆角；L-反C字型筋下横边与C字型下横边两者合在一起后自然形成的过渡圆角。

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1-6说明本实施方式，一种高强度碳纤维复合材料底板的制备方法，具体包括以下步骤：

A、制备反C字型筋和C字型筋：

A1如图2所示，在反C字型分瓣模具a上粘上一层1mm厚的反C字型分瓣模具热膨胀橡胶c，在C字型分瓣模具b上粘上一层1mm厚C字型分瓣模具热膨胀橡胶d；反C字型分瓣模具热膨胀橡胶c与C字型分瓣模具热膨胀橡胶d厚度相等。

A2在粘好热膨胀橡胶c的反C字型分瓣模具a上按照设计要求铺上复合材料碳纤维预浸料，其中，反C字型筋上横边e、反C字型筋竖直边f、反C字型筋下横边g采用复合材料预浸料一体成型，纤维连续。

A3在粘好热膨胀橡胶d的C字型分瓣模具b上按照设计要求铺上复合材料碳纤维预浸料，其中，C字型筋上横边h、C字型筋竖直边i、C字型筋下横边j采用复合材料预浸料一体成型，纤维连续。

此步骤宏观体现在图六中分瓣模具8铺放碳纤维预浸料，分瓣模具8包括C字型分瓣模具a和反C字型分瓣模具b。

B、将反C字型筋和C字型筋组合：

B1按照图2所示的方式，将反C字型筋和C字型筋组合在一起，反C字型筋和C字型筋组合在一起后，反C字型筋上横边e与C字型筋上横边h处于同一水平；反C字型筋竖直边f与C字型筋竖直边i贴合在一起；反C字型筋下横边g与C字型筋下横边j处于同一水平。

此步骤宏观体现在图6中两个分瓣模具8组合到一起，图6中下侧分瓣铺放完预浸料后，其反C字型筋和上侧分瓣的C字型筋组合到一起，自然形成工字梁结构，然后进行一体化蒙皮的成型。

C、抽真空，反C字型筋和C字型筋组合到一起后，采用真空袋法对其进行抽真空处理。

C1准备金属平板、真空袋、密封胶条、隔离膜、透气毡和抽真空设备；

C2在金属平板上粘好密封胶条，将真空袋放置在密封胶条上备用；

C3用隔离膜、透气毡将组合在一起的反C字型筋分瓣模具和C字型筋分瓣模具整体包好；

C4将整个反C字型筋分瓣模具和C字型筋分瓣模具放在真空袋内进行抽真空，在真空袋内压力达到所需值是保持一段时间，保持完一段时间后卸下真空袋内压力，将所有分瓣模具组装起来，供碳纤维复合材料底板蒙皮铺贴使用。

D、铺贴蒙皮：

按照设计好的铺层进行碳纤维复合材料底板蒙皮的铺贴，蒙皮采用连续的碳纤维预浸料逐层铺贴，在所有碳纤维预浸料蒙皮铺贴完毕后，重复步骤C。以便排除掉预浸料铺贴过程中各层预浸料间的气泡。抽真空直至所有预浸料表面光滑无褶皱。

E、底板模具合模：

将一体成型完成的碳纤维复合材料底板按照设计要求合上金属外模，合模顺序依次为前加压板4、后加压板11、左加压板10、右加压板3、上加压板5、下加压板6和外加压框9。

F、固化碳纤维复合材料底板：

按照碳纤维预浸料固化制度对碳纤维复合材料底板进行固化，将整个模具放进固化炉中，在给定的固化温度条件下保温规定时间，待固化炉内温度自然冷却至室温后打开固化炉，将产品脱模。

G、脱模：

脱模顺序与合模顺序相反，依次脱模外加压框9、下加压板6、上加压板5、右加压板3、左加压板10、后加压板11和前加压板4，最后脱两个分瓣模具8，然后得到设计的碳纤维复合材料底板。

具体工艺流程如下：模具加工→铺层阳模成型→预浸料铺层→合模固化→脱模修整→机加开口→检验交付。

本发明所述的高强度碳纤维复合材料底板，整个结构分为工字梁加强筋1和复合材料底板蒙皮2两个部分，工字梁加强筋1由薄蒙皮2整个包裹，由纤维预浸料铺贴成型后一次固化完成，设计一种金属对模工艺配合预浸料铺贴工艺，经过加热固化得到产品。

工字梁筋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；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。

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：

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

本发明采用高性能碳纤维和高性能树脂组成的预浸料体系，此体系具有较高的力学性能、耐热性能、尺寸稳定性、空间逸气性能和低吸湿、低介电性。

本发明采用热熔预浸料制造技术及金属对模成型工艺，实现了易铺层、易成型、易脱模等关键工艺环节。

对模成型工艺和预浸料铺放成型工艺：

对模成型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。本发明复合材料成型需要在一定温度和压力下进行，适当的压力可以使树脂在固化过程中充分流动，同时排出树脂内部的气泡，形成致密的结构，减少气泡、分层等内部缺陷，保证复合材料产品的成型质量，因此在固化成型过程中的加压极为重要。本发明采用的具体参数为在150℃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。

高强度碳纤维复合材料底板采用预浸料铺贴技术和金属对模成型技术，预浸料铺贴技术保证了产品纤维的连续，金属对模技术保证了产品的外形和尺寸精度。

所述的高强度碳纤维复合材料底板的制备方法制备的底板，其特征在于：该底板为日字形框架，该框架包括复合材料工字梁加强筋1和蒙皮2，所述复合材料工字梁加强筋1外包有蒙皮2，且由预浸料铺放共固化一体成型；

所述复合材料工字梁加强筋1包括反C字型工字梁筋和C字型工字梁筋，所述反C字型工字梁筋和C字型工字梁筋背对设置。

与传统的金属材料遥感相机主支撑结构底板相比，本发明的碳纤维复合材料支撑底板结构具有质量轻、强度高、模量高等优点，这种碳纤维复合材料支撑底板在支撑空间遥感相机正常工作的同时可高度实现轻量化。目前，已有采用碳纤维复合材料进行空间遥感相机支撑结构底板的研究，与目前的碳纤维复合材料支撑结构底板相比，本专利发明的碳纤维复合材料反射镜背板结构由更为稳定的内中空构型工字梁结构组成，这种内中空构型工字梁结构由反C字型结构和C字型结构组合而成，反C字型结构和C字型结构通过金属模具组合在一起之后，呈现"工"字，这种"工"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。

工字梁加强筋1的每个边(例如上横边、下横边)的结构厚度控制在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工字梁结构的厚度，如承载小，工字梁加强筋1的每个边的厚度可以控制在1mm左右；如承载大，工字梁加强筋1的每个边的厚度可以控制在2mm左右。与之一体成型的蒙皮结构需按照工字梁结构的厚度呈正相关成型以满足设计要求。且蒙皮的大小可根据要求设计。

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。

所述的高强度碳纤维复合材料底板的模具，包括四周加压板、分瓣模具8和外加压框9，所述分瓣模具8位于复合材料底板7的内部，所述四周加压板位于复合材料底板7的外周，所述外加压框9位于四周加压板的外周。

所述四周加压板包括右加压板3、前加压板4、上加压板5、下加压板6、左加压板10和后加压板11，所述右加压板3、前加压板4、上加压板5、下加压板6、左加压板10和后加压板11围成六面体。

所述分瓣模具8包括反C字型分瓣模具a和C字型分瓣模具b，所述反C字型分瓣模具a位于反C字型筋内部，所述C字型分瓣模具b位于C字型筋内部。

在碳纤维复合材料底板反C字型分瓣模具a上粘有反C字型分瓣模具热膨胀橡胶c，在碳纤维复合材料底板C字型分瓣模具b上粘有C字型分瓣模具热膨胀橡胶d。

反C字型分瓣模具热膨胀橡胶a与C字型分瓣模具热膨胀橡胶d厚度相等。

底板模具属于内中空构型，本发明创造性的采用热膨胀硅橡胶热胀工艺，根据金属模具尺寸加工热膨胀硅橡胶，然后将热膨胀硅橡胶粘到金属模具上。复合材料在成型过程中，需要外界给予一定的压力，而热膨胀硅橡胶具有受热膨胀的性质，在复合材料固化过程中，金属模具受热，那么与金属模具相贴合的热膨胀硅橡胶就会受热膨胀，控制好热膨胀硅橡胶的尺寸与厚度，就可以对复合材料施加合适的压力。此方法解决了材料间的膨胀系数不同的问题。

拼好所有的分瓣模具块后，铺贴整体蒙皮2。底板工字梁筋1为中空双C字型结构，这种结构具有优异的承载能力，并且能够充分的减轻产品的总质量，能够充分保证整个产品的轻量化设计顺利完成，且本发明的此种模具有易实现、易脱模等优点。

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。