轻型复合材料整体桁架结构研制技术.pdf

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轻型复合材料整体桁架结构研制技术殷永霞张芳谭放(北京空间机电研究所，北京100076)摘要：研究了一种新型轻质碳纤维复合材料整体桁架结构形式及其成型方法，介绍了采用水溶性芯模技术并使用真空袋热压罐成型方式制备轻型田字形碳纤维复合材料整体桁架结构件的工艺路线牙口产品成型效果。结果表明：采用水溶性芯模制备轻型复合材料整体桁架结构质量良好，各项技术指标满足设计使用要求。为整体框架的研制提供一种崭新的思路和方法的同时，极大地缩短了框架结构的研制工艺流程，提高了其整体性能。关键词：水溶性芯模；轻型；碳纤维复合材料；整体桁架结构DeVelopmentTeclul0109yofLigh铆ei曲tConlpositeTrussS仃uctureYin1YbngxiaZhangFang’I抽Fang(BeijingInstituteofSpaceMechanicsaIldE1ectrici吼Beijing100076)Abstract：Thepaperstudiedanewt)，peoflightweightcarbonfibercompositetrIlsss仇lcturesanditsfomingmethod，andintroducedtheprocessrouteandproductformingefrectofthelightshapeofcarbonfibercompositetnlsssmlctllreusingthewatersolublecoretecllIlologyandt11eVacu啪bagautoclaVemolding．Theresultsshowtllat：thequal时oflightwholecompositetrusss仃ucturepreparedbywatersolublecoremoldwaswell，aIldV撕ollstechnicalinllicatorsmeetⅡ1edesignrequirements．ItpmVidedanewthoughtandmethodforthedeVel叩mentofwholetnlsssmlcture，whichcangreatlyshortenⅡledeVelopmentpmcessandimpmVetheoVerallperfomance．1(eywords：watersolublecore；ligh似eight；carbonfibercompositematerials；whole仃usss仃uctIlre1引言卫星系统减重是当今世界各国在航天领域普遍遇到的一个技术难题[1~4】。桁架结构作为航天器结构有效地减轻了系统的重量，且具有许多其它的优异性能：a．净空间值高；b．在空间容易展开或装配；c．空间性能优良，适合应用在大跨甚至超大跨结构中；d．桁架结构是高次超静定结构，具有承受多向受力的性能，其刚度和整体性较好，能有效地承受集中荷载、非对称荷载和各种动力荷载。另外，碳纤维增强树脂基复合材料桁架可以通过结构设计让其热膨胀系数接近于零，由其做成的航天器结构具有很好的空间热稳定性。这些优良性能使桁架结构成为发展最快的一种空间结构形式，广泛地应用于航天器的主承力结构、刚性支撑结构、空间可展开结构和机构及大跨度范围的刚性连接结构中。在国外，大型桁架结构在新一代大容量通讯卫星、中继卫星、电子侦察卫星、航天飞机和空问站等航天器上已得到了广泛应用，大幅度提高了这些飞行器的空间性能。在国内，复合材料多向接头的成型制造技术还处于研制阶段水平，成型工艺的手段较单一，自动化水平较低，复杂结构大多采用手工工艺成型，存在生产效率较低、质量不太稳定、材料利用率相对低、制造周期比较长、制造费用高等缺点。在结构设计中，为了减轻结构的重量和提高结构的效率，复合材料结构部件的发展方向是力求实现结作者简介：殷永霞(1977～)，高级工程师，复合材料专业；研究方向：树脂基复合材料成型工艺研究。收稿日期：2014_05一19 构的整体性，不用或少用连接，但受限于传统金属模具脱模工序的需求，整体框架的研制基本无法实现。为了满足这一设计要求，本文采用一种新型的水溶性芯模材料成功研制出一种轻型碳纤维复合材料田字型整体桁架结构，为整体框架的研制提供了一种崭新的思路和方法。2田字型复合材料整体桁架结构设计基于上述航天器结构设计的理念，力求在不影响其空间性能的同时减轻结构的重量和提高结构的效率。本文设计中避开了形式复杂、制作繁琐的接头，设计了一个轻型田字形整体空心桁架结构，外形尺寸为302Inm×302mm×32衄，其中梁的高度和宽度都为32mm，壁厚l衄。具体结构如图1所示。3工艺方案图3．1材料选择碳纤维增强树脂复合材料具有很高的比强度和比刚度，性能优异，且工艺成熟，是航天器结构中应用最多的复合材料，因此本文根据实际应用需求选择了碳纤维增强树脂基复合材料制备轻型田字型整体桁架，产品成型所用主要原材料见表1。表1主要原材料名称规格状态用途高强度碳纤维T700．12K增强材料T300平纹碳布3K，面密度2009／m2增强材料树脂环氧“8树脂基体3．2成型工艺复合材料常规的成型工艺方法是采用金属模具提供制件的外形和尺寸精度，采用模压或真空袋加压保证内部结构的致密性。该桁架结构为整体空心结构，采用传统的金属模具整体成型无法实现脱模，因此必须采用分体成型、脱模后再胶接，而此种方法无法实现整体铺层，纤维的连续性无法保证，会影响框架的整体力学性能。而新型的水溶性芯模可以解决这一难题，水溶性模具的主要特点和优势有以下三点：a．易成型：模具材料固化前是流体或半固体状态，可根据产品的形状和成型需求浇注或压铸成型，固化后即形成具有相应形状和尺寸要求的固体材料；b．抗压、耐温：固化后的模具具有耐温和抗压特性，可以满足复合材料制件成型所需的高温和高压条件要求；c．模具材料具有水溶特性，在复合材料制件成型后，通过向模具中注水或泡在水中，短时间内就可实现模具的渍散，使模具具有流动性，通过一个很小的开口即可实现模具的脱模和清理，操作极为方便、省力，且可以保护产品在脱模工序不受损伤。以上的三个特点决定了水溶性模具可以解决某些特殊结构如空腔型、超薄型的复合材料整体成型的难题。因此，在本论文中，轻型田字型整体桁架即采用了此种新型的水溶性材料作为芯模，配合真空袋热压罐的加热、加压方式成型。此工艺方法既能实现整体铺层、一次固化，保证结构的力学性能和整体性，又能在制件成型后快速顺利脱模，有效保护产品不受损伤。该工艺方法制备田字型整体桁架的工艺流程见图2。篷H鐾兰}_模预具浸预固脱————●试料压———’———●陌面聂翮装制铺实化模配备层l加工图2轻型田字型整体桁架的工艺流程27 该工艺方法所用到的辅助材料及仪器设备见表2、表3。表2辅助材料名称规格状态用途水溶性芯模材料进口模具单面带胶聚四氟乙烯玻璃布7005S隔离脱模剂CHEMLEASE脱模聚酯薄膜厚0．1蛐隔离透气毡AinveaveN10透气材料真空尼龙薄膜IpplonWN1500真空袋密封胶条GS．213密封有孔隔离膜WL5200B．P3．001-48”一600’．SHT隔离、表3仪器设备仪器设备名称型号规格用途电热鼓风干燥箱DGF20022干燥预浸排布机制备预浸料热压罐固化超声／缺陷检测仪SONIC．138VFD探伤游标卡尺精度O．02咖尺寸检验电子秤精度lg、0．1mg重量检测量程O900～1．0009，cm3，婆梅密度计密度检测精度0．00lg／cm33．3铺层设计为保证框架的整体力学性能，其主体采用T700—12K无纬布准各项同性铺层的方式，为防止表面分层，在内外表面各铺一层碳布以提高表面的整体性和铺层工序的可操作性。4制造工艺过程4．1水溶性芯模制备28螺钉底座挡板填块图3水溶性芯模金属母模结构示意图根据田字形复合材料整体桁架结构的形状尺寸，设计并加工出一个用于成型田字形芯模的金属母模，其结构形式见图3。将水溶性芯模材料紧密的填充到母模中，确保母模的各边角处均紧密填充芯模材料，然后将预成型的芯模放入电热鼓风干燥箱中，在125℃的温度下加热4h取出b1，脱去金属母模，即成型为复合材料整体桁架结构成型需用的水溶性芯模，其照片见图4。图4水溶性芯模照片芯模使用前，需对芯模进行一些简单的机械加工，将芯模的表面打磨光滑平整，如果尺寸有偏差，还需对芯模进行切、铣等加工，确保芯模的尺寸能够满足产品制备的要求。由于水溶性芯模为多孔结构，成型后的芯模表面光洁度较差，而且后期在使用芯模制备复合材料结构件时，高温固化过程会导致复合材料内部的树脂和水溶性芯模中的胶粘剂发生相互迁移，从而影响产品的表面质量和强度性能指标，也会对芯模的水溶性产生影响，因此，在制备过程中需要对芯模进行表面处理。本文通过以下三种不同的表面处理方式进行了对比试验：a．在芯模表面粘贴一层蓝色聚酯薄膜；b．在芯模表面喷涂一层密封剂；c．在芯模表面粘贴一层单面带胶聚四氟乙烯薄膜。通过试验比较三种处理方法的工艺操作性、对芯模水溶性的影响以及对复合材料结构件表面质量的影响评判其效果。4．2桁架结构件的制备a．预浸料制备按照工艺规范和工艺文件制备相应规格的无纬布预浸料和碳布预浸料，检验预浸料的面密度、树脂含量、挥发份、外观质量等指标，确保满足工艺设计 要求。b．下料、铺层按照工艺设计的角度、尺寸对预浸料进行裁剪、下料，在模具上进行逐层铺贴，裁剪及铺层过程主要保证角度精度和拐角处纤维的连续性。c．预压实采用真空袋法每铺贴4层进行一次抽真空预压实一次，确保铺层到位、致密，保证产品内部质量。d．固化在铺层完毕的田字形桁架坯料件上铺放聚四氟乙烯玻璃布、均压板、透气毡、真空尼龙薄膜，并用密封胶带将真空尼龙薄膜四周粘到固化平台上，抽真空检查气密性；封装好后将制件放入热压罐中于170℃、0．5ma压力下保温2h固化成型。e．脱模修整固化完成后，拆除辅料及压板，取出制品。为了满足芯模的脱模需要，在基本不影响桁架整体强度的基础上，在桁架的四个侧面各开一个28mm×28mm的方孔，将桁架结构件放在自来水管下冲刷(见图5)，从方孔处向桁架内注水，将内部的芯模溶解，即得到整体桁架结构件。图5田字形桁架脱模过程5结果与讨论5．1水溶性芯模的表面处理效果不同表面处理的试验结果表明：在芯模表面直接粘贴一层单面带胶聚四氟乙烯薄膜，不仅工艺操作性好，固化完成的产品表面光滑平整、外观质量好，而且这种方法处理的芯模可以在最终脱模阶段通过直接清理出薄膜即可将拐角处残留的芯模全部脱出，易于清理。5．2脱模效果产品的脱模过程就是水溶性芯模的水溶解过程。由于芯模的密度小于水的密度，在自来水冲刷过程中，溶解的原材料会漂浮起来流出桁架，而不会堆积在空心桁架中影响水对芯模的继续溶解，从而有效地提高了水溶速率。整个田字形桁架芯模的脱模时间为30min左右，脱模操作非常简单、方便、快捷、环保。5．3产品成型效果采用可溶性材料作为芯模，用真空袋热压罐成型工艺制备的碳纤维／环氧648田字形整体桁架结构件，表面平整光滑、外观质量良好，无损检测未发现疏松分层裂纹等缺陷，内部质量符合规范要求，外形尺寸符合设计指标要求，具体检测结果见表4，产品照片见图6。表4田字形整体桁架结构件性能设计指标实际测试外观质量平整光滑无毛刺分层缺陷良好，符合要求桁架长度302蚴302．3衄桁架宽度302衄302．25衄桁架高度32mm31．8Inm桁架壁厚lmm1．1mm桁架重量实测‘4049未发现疏松、分层、裂纹缺无损探伤不低于Gm2895B级要求陷，符合Gm2895B级要求6结束语图6田字形整体桁架结构a．通过采用新型的水溶性芯模技术成功研制出了一种轻型碳纤维复合材料田字型整体桁架结构，制件质量良好，各项性能满足设计指标要求。b．与传统的采用连接接头和杆件胶接成型制备的桁架结构相比，此整体桁架成型制造过程操作简单，可实现整体铺层，保证纤维的连续性，一次固化整体成型无需装配。该桁架整体成型技术在大大缩短工艺流程、减少工序的同时，能够显著减轻结构重量，有29 黉黧嘲2014年6月第3期效地提高了连接部位的结构强度和桁架的整体力学性能，为航天器复合材料整体框架的研制提供了一种崭新的思路和方法，具有教大的应用价值和经济效益。c．通过对水溶性芯模的表面粘贴单面带胶聚四氟乙烯薄膜，不仅使芯模表面光滑平整，铺层工序易于实施，而且有效防止了固化时复合材料产品中的树脂与芯模中的胶粘剂相互迁移，达到了很好的隔离效果，此外该隔离层在脱模时可以帮助清理拐角处的芯模材料，防止芯模材料残留。d．水溶性芯模的溶解性好，脱模工序操作简单、方便、快捷、环保，该模具技术可以应用其他类似复合材料结构的研制。参考文献’l高建军．俄罗斯树脂基复合材料及应用【J】．高科技纤维与应用，2003，28(2)：262杨乃宾．国外复合材料飞机结构应用现状分析【J】．航空制造技术，2002(9)：213赵稼祥．航天先进复合材料的现状与展望【J】．热固性树脂，2000，15(2)：374李贺军，罗瑞盈，等．碳／碳复合材料在航空领域的应用研究现状【J】．材料工程，1997(8)：85张芳，殷永霞，谭放．水溶性芯模性能和应用研究【J】．航天制造技术，2012(6)：53※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※(接上第16页)3．3调整焊接参数为进一步减小焊接线能量及避免简体内表面有焊漏，调整了焊接参数。通过反复试验，焊缝l和焊缝2的焊接电流调整为40～50A，焊丝直径由西1．0mm改为伽．8mm；其它部分不做变动。3．4采用强迫冷却强迫冷却又称散热法，就是将焊接处的热量迅速散走，使焊缝附近的金属受热面积大大减小。强迫冷却一般在焊缝背面垫铜板或通水冷却，燃烧室的结构和材料都不适合采用(1Crl7Ni3材料具有淬火倾向)，所以采用背面通氩气冷却，冷却效果与垫铜板或通水冷却相比要缓和许多，但也可以起到降低焊缝区域热量积累，减小焊缝金属高温停留时间。通氩气对焊缝背面还可起到保护作用。通过试验，最终背面氩气流量定为15～25L／min。氩气保护工装见图6，工装为夹层结构内部有金属丝织物，使得氩气比较均匀柔和吹出。图6氩气保护工装4工艺改进效果利用上述改进工艺措施，先后焊接数百件产品，仅有2件产品出现表面微裂纹，裂纹深度小于0．1mm，通过机械打磨的方式去除。生产实践证明工艺改进措施是可行的，基本解决了燃烧室机匣安装座的焊接裂纹问题。5结束语通过生产实践证明，针对燃烧室机匣安装座焊接裂纹采取的优化焊接参数、分段焊接、有序焊接、背面氩气冷却等措施十分有效，产品焊接质量稳定，基本解决了产品焊接裂纹问题。通过裂纹产品的处理证明，对于焊接产生的微表裂纹，在满足产品强度、刚性等要求的前提下，采取机械方法去除裂纹最为安全和经济，应优先采用。参考文献l王金生．航空发动机含焊缝燃烧室外机匣和轴承座强度和寿命研究．西北工业大学，20042褚志华，刘杰，孙辉．发动机中焊接类机匣焊接的裂纹控制．中国新技术新产品，2013，22：79。3叶广宁。刘振岗，周凯，等．发动机中介机匣焊接延迟裂纹控制工艺研究．航空维修与工程，2011(4)：64～65