一种空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝、制备方法及应用与流程

[0001]
本发明属于芯材制造技术领域，特别涉及一种空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝、制备方法及应用。


背景技术：

[0002]
碳纤维蜂窝是一种轻质高性能可设计新型结构芯材，可满足结构系统高精度、高稳定性、高可靠性等要求，是高性能轻质复合材料结构先进性的典型体现。欧美国家在这类材料上已经具备成熟的制备技术，并实现工程应用。美国hecel公司、ultracor公司已具备制造不同碳纤维、树脂体系、不同结构形式可设计的碳纤维蜂窝的技术能力，可完成定制、通用要求的碳纤维蜂窝产品。依据欧洲(esa)的gstp项目，德国invent公司和hps公司联合研制出一种空间用有孔碳纤维蜂窝，密度达到31kg/m3，平压缩强度为0.9mpa，满足空间环境使用要求。基于轻质碳纤维制备的全碳夹层复合材料在欧洲联合研制的exomars火星探测器天线、plank探测器反射镜、stant天线系统等结构上实现应用，在美国x系列空天飞行器、f系列高性能飞机等上得到广泛应用。
[0003]
目前航天装备常用铝蜂窝、纸蜂窝、玻璃钢蜂窝芯材，与碳纤维面板组合制造出轻质复合材料夹层结构件，因异质材料的热膨胀系数不匹配，在服役环境变化下引起构件尺寸稳定性和型面精度降低，甚至引发构件内部微裂纹扩展而导致构件结构损伤，不能满足以空天飞行器为代表的新型航天运载器的结构系统使用需求。采用碳纤维蜂窝制备碳蒙皮/碳蜂窝芯的全碳同质夹层复合材料，具有更显著的减重效果、更高的比强度与比刚度，满足新型航天器的研制开发要求。然而国内相关研究几乎没有，研究基础较差，目前没有商品化的碳纤维蜂窝可用。


技术实现要素：

[0004]
为了解决传统复合材料蜂窝夹层构件因异质材料的热膨胀系数不匹配，而出现空间环境下扭曲变形和应力扩展、甚至结构损伤的问题，本发明人进行了锐意研究，提供了一种空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝、制备方法及应用，通过超薄有孔网格碳纤维预浸织物制备，组合制备工装设计，蜂窝本体材料及定型共固化工艺设计实现轻质高刚度有孔碳纤维蜂窝的制备，满足了蜂窝的刚度、逸气、耐温度交变环境等技术指标要求，可用于空天飞行器、大尺寸探测卫星等航天器高精度高可靠性的轻质复合材料夹层构件的制造，从而完成本发明。
[0005]
本发明提供了的技术方案如下：
[0006]
第一方面，一种轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝，该碳纤维蜂窝的孔格为孔壁材料围成的六边形孔格；孔壁材料为有孔碳纤维织物复合材料，孔壁材料上的孔为矩阵式排列的方形孔，方形孔边长≤2mm，有孔碳纤维织物复合材料的铺设方向与蜂窝纵向角度为0
°
～60
°
。
[0007]
第二方面，一种轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝的制备方法，用于制备第一方面所述的碳纤维蜂窝，
[0008]
步骤(1)，采用超声引导扩展纤维法将高模碳纤维丝束展薄，与树脂膜层复合制备出超薄碳纤维预浸料，预浸料面密度≤80g/m2，树脂质量含量控制在38％～44％之间；
[0009]
步骤(2)，将步骤(1)得到的超薄高模碳纤维预浸料，在预浸料分切设备上裁切至碳纤维预浸极窄带束，带宽控制在2～6mm范围内；
[0010]
步骤(3)，将步骤(2)得到的碳纤维预浸极窄带束以二维正交编织方式在-10℃～10℃温度条件下按孔边长/带宽≤0.5的比例进行编织，获得有孔网格碳纤维预浸织物；
[0011]
步骤(4)，按照制备蜂窝的长度要求，将有孔网格碳纤维预浸织物裁切至所需的长度，按照蜂窝幅宽要求，裁切出所需的有孔网格碳纤维预浸料块数量；
[0012]
步骤(5)，将有孔网格碳纤维预浸料块随型铺贴在凹凸起伏下模上，凹凸起伏下模具有与蜂窝孔格吻合的凹凸型面，将六边形芯柱依次放入型面凹腔内，之后再铺贴一层有孔网格碳纤维预浸料块；所述六边形芯柱内接圆直径与蜂窝孔格内接圆直径一致；
[0013]
步骤(6)，重复六边形芯柱放置以及有孔网格碳纤维预浸料块随型铺贴过程，直至达到需要的蜂窝宽度，完成蜂窝铺贴，得到蜂窝预制体；优选地，每铺贴3～6层有孔网格碳纤维预浸料块，压实贴紧六边形芯柱和有孔网格碳纤维预浸料块；
[0014]
步骤(7)，对蜂窝预制体压贴凹凸起伏上模，并用限位块固定工装两侧，再用定位螺杆紧固；其中，凹凸起伏上模结构具有与蜂窝孔格吻合的凹凸型面，凹凸起伏上模和凹凸起伏下模的两端加工套设定位螺杆的紧固孔，限位块位于定位螺杆内侧，与凹凸起伏上模和凹凸起伏下模配合，共同对蜂窝预制体限位；
[0015]
步骤(8)，将步骤(7)得到的蜂窝组合体施加不同幅宽蜂窝的所需的固化压力，按照树脂基体的固化工艺完成蜂窝固化；
[0016]
步骤(9)，去除固化后碳纤维蜂窝上的工装，获得轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝。
[0017]
第三方面，第一方面所述的轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝或者第二方面所述的空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝的制备方法在空天环境下轻质复合材料夹层结构制造方面的应用。
[0018]
根据本发明提供的一种空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝、制备方法及应用，具有以下有益效果：
[0019]
(1)本发明空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝及其制备方法中，蜂窝的孔壁材料为超薄有孔高模碳纤维织物复合材料，采用一种完全区别于传统蜂窝制备的创新高效制备方法，即随型有孔预浸织物铺贴+蜂窝本体及定型一体共固化制备工艺，实现了轻质高刚度有孔碳纤维蜂窝的制备，满足了蜂窝的刚度、逸气、耐温度交变环境等技术指标要求；
[0020]
(2)本发明空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝及其制备方法中，碳纤维蜂窝中碳纤维选用高模量碳纤维，树脂基体为耐空间环境下温度交变、真空质损、可凝挥发份等要求的增韧热固性树脂，满足空间环境使用要求；
[0021]
(3)本发明空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝及其制备方法中，设计有孔碳纤维织物复合材料的铺设方向与蜂窝纵向角度(l)为0
°-
60
°
，特别是0
°
、45
°
，纵向角度不同，其对应蜂窝压缩、剪切性能不同，可以调整蜂窝力学性能；
[0022]
(4)本发明空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝及其制备方法中，蜂窝的孔壁材料上方形孔的大小和间距为特定设计，在减重的同时，保证了碳纤维蜂窝的稳定性；
[0023]
(5)本发明空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝的制备方法中，通过工装设计、型面精度要求、以及固化工艺的设定，有效保证了碳纤维蜂窝的精密成型；
[0024]
(6)本发明空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝及其制备方法，解决轻质有孔碳纤维蜂窝的瓶颈难题，可实现空间环境下轻质高刚度夹层复合材料结构件制造，也可转化应用到诸如航空飞机、发动机，高铁等其他领域结构系统高性能蜂窝夹层结构件上，能够满足我国日益高涨的高刚全碳夹层复合材料构件的研制需要，创新性、经济效益及前瞻性突出。
附图说明
[0025]
图1示出本发明中轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝的结构示意图，其中，有孔碳纤维织物复合材料的铺设方向与蜂窝纵向角度为45
°
；
[0026]
图2示出碳纤维蜂窝制备工装结构示意图；
[0027]
图3示出碳纤维蜂窝制备工装结构侧视图。
[0028]
附图标号说明
[0029]
1-凹凸起伏上模；2-凹凸起伏下模；3-六边形芯柱；31-螺纹盲孔；4-限位块；5-定位螺杆；6-齐边挡块。
具体实施方式
[0030]
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0031]
根据本发明的第一方面，提供了一种轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝，该碳纤维蜂窝的孔格为孔壁材料围成的六边形孔格；孔壁材料为有孔碳纤维织物复合材料，孔壁材料上的孔为矩阵式排列的方形孔，方形孔边长≤2mm；蜂窝孔格内接圆直径、孔壁厚度依据结构性能需要适配调整。
[0032]
在本发明一种优选的实施方式中，所述碳纤维蜂窝的体密度≤64kg/m3，所述碳纤维蜂窝孔格的内接圆直径≤φ15mm，孔壁材料厚度≤0.2mm。
[0033]
在本发明一种优选的实施方式中，所述有孔碳纤维织物复合材料的铺设方向与蜂窝纵向(l向)角度为0
°
～60
°
，优选0
°
或45
°
。当所述有孔碳纤维织物复合材料的铺设方向与蜂窝纵向角度为0
°
时，蜂窝纵向角度上相邻两行的方形孔对齐排布；当所述有孔碳纤维织物复合材料的铺设方向与蜂窝纵向角度为0
°
时，蜂窝纵向角度上相邻两行的方形孔交错排布，如图1所示。
[0034]
在本发明中，所述碳纤维蜂窝的孔壁材料为通过有孔网格碳纤维预浸织物固化后制备得到，有孔网格碳纤维预浸织物中，树脂基体为耐空间环境下温度交变、真空质损、可凝挥发份等要求的增韧热固性树脂；具体地，树脂基体的真空质损≤1.0％、可凝挥发物≤0.5％，优选为增韧环氧树脂或氰酸脂树脂中的任意一种或多种，碳纤维选自m40、m55、m65级高模量碳纤维中任意一种或多种。
[0035]
优选地，有孔网格碳纤维预浸织物通过以下方式制备得到：
[0036]
步骤(1)，采用超声引导扩展纤维法将高模碳纤维丝束展薄，与树脂膜层复合制备出超薄碳纤维预浸料，预浸料面密度≤80g/m2，树脂质量含量控制在38％～44％之间；
[0037]
步骤(2)，将步骤(1)得到的超薄高模碳纤维预浸料，在预浸料分切设备上裁切至碳纤维预浸极窄带束，带宽控制在2～6mm范围内；
[0038]
步骤(3)，将步骤(2)得到的碳纤维预浸极窄带束以二维正交编织方式在较低温条件(-10℃～10℃温度区间)下按孔边长/带宽≤0.5的比例进行编织，获得有孔网格碳纤维预浸织物。
[0039]
优选地，有孔网格碳纤维预浸织物编织形式包括平纹、斜纹、缎纹，即有孔碳纤维织物复合材料的编织形式包括平纹、斜纹、缎纹。
[0040]
根据本发明的第二方面，提供了一种轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝的制备方法，用于制备第一方面所述的轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝，包括以下步骤：
[0041]
步骤(1)，采用超声引导扩展纤维法将高模碳纤维丝束展薄，与树脂膜层复合制备出超薄碳纤维预浸料，预浸料面密度≤80g/m2，树脂质量含量控制在38％～44％之间；
[0042]
步骤(2)，将步骤(1)得到的超薄高模碳纤维预浸料，在预浸料分切设备上裁切至碳纤维预浸极窄带束，带宽控制在2～6mm范围内；
[0043]
步骤(3)，将步骤(2)得到的碳纤维预浸极窄带束以二维正交编织方式在较低温条件(-10℃～10℃温度区间)下按孔边长/带宽≤0.5的比例进行编织，获得有孔网格碳纤维预浸织物；
[0044]
步骤(4)，按照制备蜂窝的长度要求，将有孔网格碳纤维预浸织物裁切至所需的长度，按照蜂窝幅宽(w)要求，裁切出所需的有孔网格碳纤维预浸料块数量；
[0045]
步骤(5)，将有孔网格碳纤维预浸料块随型铺贴在凹凸起伏下模上，凹凸起伏下模具有与蜂窝孔格吻合的凹凸型面，将六边形芯柱依次放入型面凹腔内，之后再铺贴一层有孔网格碳纤维预浸料块；所述六边形芯柱内接圆直径与蜂窝孔格内接圆直径一致；
[0046]
步骤(6)，重复六边形芯柱放置以及有孔网格碳纤维预浸料块随型铺贴过程，直至达到需要的蜂窝宽度，完成蜂窝铺贴，得到蜂窝预制体；优选地，每铺贴3～6层有孔网格碳纤维预浸料块，压实贴紧六边形芯柱和有孔网格碳纤维预浸料块；
[0047]
步骤(7)，对蜂窝预制体压贴凹凸起伏上模，并用限位块固定工装两侧，再用定位螺杆紧固；其中，凹凸起伏上模结构具有与蜂窝孔格吻合的凹凸型面，凹凸起伏上模和凹凸起伏下模的两端加工套设定位螺杆的紧固孔，限位块位于定位螺杆内侧，与凹凸起伏上模和凹凸起伏下模配合，共同对蜂窝预制体限位；
[0048]
步骤(8)，将步骤(7)得到的蜂窝组合体施加不同幅宽蜂窝的所需的固化压力，按照树脂基体的固化工艺完成蜂窝固化，保证固化后蜂窝节点界面结合性能，实现轻质有孔网格碳纤维织物蜂窝材料本体及定型的共固化制备；
[0049]
步骤(9)，去除固化后碳纤维蜂窝上的工装，获得满足刚度、逸气、耐温度交变环境等空间环境使用要求的轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝。
[0050]
在本发明一种优选的实施方式中，步骤(5)中，所述凹凸起伏下模工作面的长度≤2m，长度型面精度≤0.1mm，宽度型面精度≤0.05mm，凹凸高度精度≤0.05mm。
[0051]
在本发明一种优选的实施方式中，步骤(5)中，在六边形芯柱的末端竖立齐边挡块，齐边挡块用于辅助群组六边形芯柱的末端对齐。
[0052]
在本发明一种优选的实施方式中，步骤(6)中，所述六边形芯柱长度≤300mm，直线度≤0.05mm，棱角r角≤r4；边形芯柱的长度不小于有孔网格碳纤维预浸料块的宽度。
[0053]
进一步地，所述六边形芯柱两端开设便于拔脱的螺纹盲孔。
[0054]
在本发明一种优选的实施方式中，步骤(7)中，所述凹凸起伏上模工作面的长度≤2m，长度型面精度≤0.1mm，宽度型面精度≤0.05mm，凹凸高度精度≤0.05mm。
[0055]
在本发明一种优选的实施方式中，步骤(8)中，固化过程是在热压罐或烘箱内进行的，固化温度为165℃～180℃，固化时间3h～6h，固化压力0.2mpa～1.2mpa。进一步地，固化压力按照蜂窝幅宽(w)适应调整，当w≤300mm，固化压力为0.2mpa～0.4mpa；300mm＜w≤500mm，固化压力为0.3mpa～0.6mpa；500mm＜w≤800mm，固化压力为0.5mpa～0.8mpa；800mm＜w≤1000mm，固化压力为0.7mpa～1.2mpa。
[0056]
根据本发明的第三方面，提供了第一方面所述的轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝或者第二方面所述的轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝的制备方法在空天环境下轻质复合材料夹层结构制造方面的应用。
[0057]
实施例
[0058]
实施例1
[0059]
一种空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝，该蜂窝孔格为有孔网格六边形孔格，方形孔边长为1mm；孔壁材料为有孔网格碳纤维预浸织物固化后制备的复合材料，蜂窝的碳纤维为m40级高模量碳纤维，树脂基体为耐空间环境下温度交变、真空质损、可凝挥发份等要求的增韧环氧树脂。蜂窝体密度为35kg/m3，孔格内接圆直径为φ10mm、孔壁厚度为0.1mm；有孔碳纤维织物复合材料编织形式为平纹，其铺设方向与蜂窝纵向角度为45
°
，如图1所示。
[0060]
该空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝制备方法，包括以下步骤：
[0061]
1)采用超声引导扩展纤维法将高模碳纤维丝束展薄，与树脂膜层复合制备出超薄碳纤维预浸料，预浸料面密度为80g/m2，树脂质量含量控制在38％～44％之间；
[0062]
2)将步骤1)得到的超薄高模碳纤维预浸料，在专用预浸料分切设备上裁切至碳纤维预浸极窄带束，带宽为4mm；
[0063]
3)将步骤2)得到的碳纤维预浸极窄带束以二维正交编织方式在温条件(-10℃～2℃)下按孔边长/带宽为0.25的比例进行编织，获得有孔网格碳纤维预浸织物；
[0064]
4)如图2和图3所示，蜂窝制备采用随型凹凸起伏上模1+凹凸起伏下模2+群组六边形芯柱3+侧边限位块4+定位螺杆5的组合制备工装；凹凸起伏上模1和凹凸起伏下模2的工作面长度500mm，长度型面精度rms为0.05mm，凹凸高度和宽度型面精度rms为0.05mm；六边形芯柱3内接圆直径φ10mm，长度160mm，直线度为0.03mm，芯柱棱角r角为r2；限位块4采用定位螺杆固定，六边形芯柱3两端设置便于拔脱的螺纹盲孔31；工装还包括齐边挡块6，齐边挡块6位于六边形芯柱3末端，用于群组六边形芯柱3的末端对齐；
[0065]
5)按照制备蜂窝的长度要求，将步骤3)得到的有孔网格碳纤维预浸织物裁切至适合的长度，预浸织物料块宽度150mm；按照蜂窝幅宽要求，裁切出符合的有孔网格碳纤维预浸料块数量；
[0066]
6)将步骤5)得到的有孔网格碳纤维预浸料块随型铺贴在步骤4)制造的凹凸起伏下模上，将六边形芯柱依次放入凹腔内，之后再铺贴一层预浸布；
[0067]
7)在新形成的凹腔内放入六边形芯柱，重复这一过程直至达到需要的蜂窝幅宽w＝200mm，完成蜂窝铺贴；每铺贴3层预浸布，采用凹凸起伏上模压实贴紧六边形柱和有孔网格碳纤维预浸料块；
[0068]
8)将步骤7)得到的蜂窝预制体压贴凹凸起伏上模，并用限位块固定工装两侧，定位螺杆5紧固；
[0069]
9)将步骤8)得到的蜂窝组合体放入热压罐内固化，固化温度为180℃，固化时间为4h，固化压力为0.3mpa，实现轻质有孔网格碳纤维织物蜂窝材料本体及定型的共固化制备；
[0070]
10)去除固化后碳纤维蜂窝工装，获得满足刚度、逸气、耐温度交变环境等空间环境使用要求的轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝。蜂窝压缩模量达到100mpa以上。
[0071]
实施例2
[0072]
一种空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝，该蜂窝孔格为有孔网格六边形孔格，方形孔边长为0.5mm；孔壁材料为有孔网格碳纤维预浸织物固化后制备的复合材料，蜂窝的碳纤维增强体为m40级高模量碳纤维，树脂基体为耐空间环境下温度交变、真空质损、可凝挥发份等要求的增韧环氧树脂。蜂窝体密度为40kg/m3，孔格内接圆直径为φ8mm、孔壁厚度为0.1mm；有孔碳纤维织物复合材料编织形式为斜纹，其铺设方向与蜂窝纵向角度为0
°
。
[0073]
该空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝制备方法，包括以下步骤：
[0074]
1)采用超声引导扩展纤维法将高模碳纤维丝束展薄，与树脂膜层复合制备出超薄碳纤维预浸料，预浸料面密度为75g/m2，树脂质量含量控制在38％～44％之间。
[0075]
2)将步骤1)得到的超薄高模碳纤维预浸料，在专用预浸料分切设备上裁切至碳纤维预浸极窄带束，带宽为3mm。
[0076]
3)将步骤2)得到的碳纤维预浸极窄带束以二维正交编织方式将在较低温条件(-10℃～0℃)下按孔边长/带宽为0.167的比例进行编织，获得有孔网格碳纤维预浸织物。
[0077]
4)如图2和图3所示，蜂窝制备采用随型凹凸起伏上模1+凹凸起伏下模2+群组六边形芯柱3+侧边限位块4的组合制备工装；凹凸起伏上模1和凹凸起伏下模2的工作面长度600mm，长度型面精度rms为0.05mm，凹凸高度和宽度型面精度rms为0.05mm；六边形芯柱3内接圆直径φ8mm，长度100mm，直线度为0.05mm，芯柱棱角r角为r2；限位块4采用定位螺杆固定，六边形芯柱3两端设置便于拔脱的螺纹盲孔31；工装还包括齐边挡块6，齐边挡块6位于六边形芯柱3末端，用于群组六边形芯柱3的末端对齐；
[0078]
5)按照制备蜂窝的长度要求，将步骤3)得到的有孔网格碳纤维预浸织物裁切至适合的长度，预浸织物料块宽度100mm；按照蜂窝幅宽要求，裁切出符合的有孔网格碳纤维预浸料块数量；
[0079]
6)将步骤5)得到的有孔网格碳纤维预浸料块随型铺贴在步骤4)制造的凹凸起伏下模上，将六边形芯柱依次放入凹腔内，之后再铺贴一层预浸布；
[0080]
7)在新形成的凹腔内放入六边形芯柱，重复这一过程直至达到需要的蜂窝幅宽w＝300mm，完成蜂窝铺贴；每铺贴3层预浸布，采用凹凸起伏上模压实贴紧六边形柱和预浸布；
[0081]
8)将步骤7)得到的蜂窝预制体压贴凹凸起伏上模，并用限位块固定工装两侧，定位螺杆5紧固；
[0082]
9)将步骤8)得到的蜂窝组合体，放入热压罐内固化，固化温度为170℃，固化时间为5h，固化压力为0.7mpa，实现轻质有孔网格碳纤维织物蜂窝材料本体及定型的共固化制备；
[0083]
10)去除固化后碳纤维蜂窝工装，获得满足刚度、逸气、耐温度交变环境等空间环境使用要求的轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝。蜂窝压缩模量达到100mpa以上。
[0084]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
[0085]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

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