[发明专利]基于间断铺层的复合材料薄壁壳体的制备方法

说明书

技术领域

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

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。

一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0.3mm。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

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。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

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；

薄壁壳体采用纤维增强树脂基复合材料层压结构，共计n层，n≥2，n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；

该方法为间断铺层法，步骤为：

第一步，模具设计与制造

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℃，并晾干。

第二步，预浸料制备

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，即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。

第三步，预浸料裁剪

根据薄壁壳体展开后的外形裁剪预浸料。

第四步，铺叠

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≤n/2。

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。

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。

第五步，固化

修切铺叠过程的溢料，擦净模具表面的胶液。

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℃以下方可出炉。

第六步，脱模及修整

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。

修切溢料和毛刺。

第七步，检测变形量

采用游标卡尺、刀口直尺以及光面塞规检测制品的变形量。

有益效果

(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0.5mm，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。

(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。