[发明专利]一种复合材料壳体的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种壳体的制造方法，特别是涉及一种复合材料壳体的制造方法。

背景技术

为实现航天器结构的轻质、高强需求，越来越多的航天器支座由金属材料改为采用高模量碳纤维与环氧树脂复合材料制造的壳体结构。其特点是强度、刚度优异，且质量轻。制造工艺过程是，先制备预浸无纬布，按预定的纤维取向将预浸无纬布逐层铺放在阳模上，然后合模、通过加热并施加一定压力使壳体固化，脱模后再经过辅助加工获得成品。

复合材料壳体根据其承受载荷的分布情况，采取变截面构形，且不同部位的壁厚各不相同。采用金属阳模和阴模控制壳体形状，在变厚度处易出现模具卡死，壳体不同形面压力不能同时到位等弊端，对控制壳体外形尺寸，提高层间胶接强度，消除富胶、贫胶、孔隙、疏松和皱褶等缺陷非常不利。采用平面裁剪的预浸无纬布铺放方法，不仅材料断缝多，壳体承载能力降低，而且纤维取向不易控制，断缝区域局部搭接后更容易造成纤维屈曲，从而导致壳体翘曲变形，影响其尺寸精度和力学性能。采用铺叠后直接热压固化的成形工艺，固化过程的低分子挥发份多，壳体孔隙率高，胶接强度低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种复合材料壳体的制造方法，包括以下步骤：

(1)制备预浸无纬布，预浸无纬布预吸胶后，根据壳体尺寸将预浸无纬布裁剪成窄带；

(2)在金属内模的表面绕铺窄带，形成复合材料层合体，所述金属内模为分体的上、下模，并在下模上设计脱模顶出接口；

(3)对铺设的复合材料层合体进行预压：在复合材料层合体外表面铺放工艺辅料，然后在层合体顶部安装顶部压板，所述顶部压板(10)，覆盖壳体顶部平面；将层合体、金属内模、顶部压板及工艺辅料的组合体封装入真空系统，再放入热压罐中进行预压；

(4)将复合材料层合体固化成壳体：拆除真空系统，卸下所述顶部压板(10)，拆除预压时的工艺辅料，在底面法兰周围放置橡胶挡条(18)，重新铺放透气和隔离辅料，然后安装所述顶部压板(10)，最后安装橡胶软模(20)，封装入真空系统，再放入热压罐中固化；

在壳体固化成形达到最高成形温度，并保持该温度时，所述金属内模膨胀至匹配壳体内腔尺寸；

所述橡胶软模(20)制备方法为：焊接壳体工艺件，将工艺件安装在组装好的金属内模上，在顶部安装所述顶部压板(10)，然后铺放未硫化橡胶片，制备出橡胶软模，所述壳体工艺件模拟待制备壳体，与待制备壳体的尺寸构型完全相同；

(5)将壳体与橡胶软模、顶部压板、金属内模分离；

(6)加工壳体，获得成品壳体。

其中，所述顶部压板的厚度按下式计算：

其中，h为压板厚度；μ为内模材料的泊松比；P为固化空气压力；ρ为压板材料质量密度；g为重力加速度；K为工艺常数。

其中，K的取值为0.001。

其中，未硫化橡胶在150℃，0.6MPa下保温1h制备出橡胶软模。

其中，所述步骤(1)中，预浸无纬布预吸胶具体为：在85℃～90℃，0.2MPa～0.3MPa下，保温20min～30min，对预浸无纬布进行预吸胶，控制预吸胶后的含胶量为(34±2)％。

其中，所述步骤(2)中绕铺窄带的具体方法为：用窄带在金属内模上依次绕铺下主体层、壳顶中间加强层、上主体层和底部加强层，具体方法为：首先绕铺下主体层，下主体层覆盖壳体所有外表面，铺层方式为(+45/-45/0/90)_S；然后铺放壳顶中间加强层，只覆盖壳顶上表面，铺层方式为(+45/-45/0/90)_2S；再绕铺上主体层，与下主体层对称进行；最后绕铺底部加强层，覆盖壳体底面法兰和底部加强段，铺层方式为(+45/-45/0/90)S。

其中，所述步骤(3)中还包括确定吸胶纸层数N_a，具体为：称量铺设好的层合体重量G_p，按下式根据壳体最终的含胶量a％数值确定吸胶纸层数N_a：

其中，A为层合体坯件面积；

N_b为层合体铺叠层数；

G_pf为预浸无纬布单位面积纤维重量；

a％为壳体最终树脂重量含量；

G_b为吸胶纸单位面积吸胶量。

其中，还包括步骤(7)加工壳体，在壳体上加工安装接口和减轻孔，获得成品。