一種異形翻邊封閉承力框整體成型方法
【專利摘要】一種異形翻邊封閉承力框整體成型方法，屬于熱結(jié)構(gòu)碳/碳復(fù)合材料制造技術(shù)領(lǐng)域。該方法從承力框的異形、帶翻邊、封閉型腔的結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，考慮到部件承力特性，采用基于碳布疊層結(jié)構(gòu)、分步縫合、近凈尺寸成型方法，獲得整體編織的碳纖維承力框織物，采用液相高壓增密工藝技術(shù)和分瓣式石墨工裝應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整體承力框的變形控制和均勻致密化。通過工藝控制和參數(shù)優(yōu)化，提高了材料的力學(xué)性能，最終材料密度1.85～1.95g/cm3，拉伸強(qiáng)度200～260MPa，壓縮和彎曲強(qiáng)度160～200MPa，層間剪切強(qiáng)度15～20MPa。在保證材料高力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了異形、翻邊、封閉承力框整體凈尺寸成型，大大提高了部件的承載效能。
【專利說明】
一種異形翻邊封閉承力框整體成型方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種異形翻邊封閉承力框整體成型方法，屬于熱結(jié)構(gòu)碳/碳復(fù)合材料制造技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]碳/碳復(fù)合材料以其優(yōu)異的高溫機(jī)械性能和熱物理性能，如高比強(qiáng)、高比模、高熱導(dǎo)、低線膨脹系數(shù)、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐熱沖擊等，一直是先進(jìn)國(guó)家戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭如端頭、噴管、艙體、控制舵等關(guān)鍵熱防護(hù)部件最為重要的材料方案之一。然而，隨著臨近空間技術(shù)的發(fā)展，對(duì)大尺寸主承力熱結(jié)構(gòu)材料提出了迫切需求，要求材料由單一防熱功能向承力/防熱雙重功能、由簡(jiǎn)單外形向復(fù)雜外形拓展，并具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、剛度、抗氧化等綜合性能，且可實(shí)現(xiàn)大尺寸、復(fù)雜形狀材料工程可制造。以框/梁為主承力骨架是目前熱結(jié)構(gòu)艙段用的典型結(jié)構(gòu)形式。該類承力框不僅起到艙段內(nèi)縱向絎梁間的載荷分配和維持蒙皮氣動(dòng)外形的作用，還需與內(nèi)部冷結(jié)構(gòu)連接，搭載諸多關(guān)鍵儀器設(shè)備;更重要的是其還需要承擔(dān)艙段級(jí)間、全彈與運(yùn)載器間的載荷傳遞功能。熱結(jié)構(gòu)承力連接框尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在正負(fù)曲率變化、帶翻邊、封閉型腔等特征。這類承力框整體性能已成為影響熱結(jié)構(gòu)艙段性能的關(guān)鍵因素之一，目前這類承力框多采用分體設(shè)計(jì)思路，即通過各單元件分開復(fù)合一加工一裝配實(shí)現(xiàn)框的制造方式制造。分體框的制造有著較大的缺點(diǎn):(一)承力框由多個(gè)單元件連接而成，使得連接成為薄弱環(huán)節(jié)；(二)多單元件集成會(huì)造成裝配面位置纖維不連續(xù)，降低承載效能；(三)多單元件的分體制造會(huì)大大提高成本，且整體集成使周期變長(zhǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種異形翻邊封閉承力框整體成型方法，裝配面少，纖維更連續(xù)、完整，承載性能更好，同時(shí)大大減少了連接件和單元件的數(shù)量，降低了成本和周期。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種異形翻邊封閉承力框整體成型方法，其包括以下步驟:
[0005]I)選用T300-1K或T300-3K聚丙烯腈基碳纖維，編織成緞紋、平紋或斜紋的碳布，編織過程中以經(jīng)向紗線方向?yàn)?°，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)分別形成+45°，90°和-45°，隨后將碳布按承力框型面展開最大包絡(luò)尺寸裁剪成碳布?jí)K備用；
[0006]2)按承力框三維數(shù)學(xué)模型制作模具，用于實(shí)現(xiàn)碳布的鋪放和壓緊；
[0007]3)將步驟I)中的碳布?jí)K按照預(yù)先設(shè)計(jì)的鋪層順序在步驟2)的模具上進(jìn)行鋪放，鋪放基準(zhǔn)面為曲面翻邊或平面，隨后對(duì)鋪放后的碳布進(jìn)行壓緊縫合，得到織物中間制品；
[0008]4)將步驟3)中的織物中間制品進(jìn)行翻邊處理，翻折出平面部分或曲面翻邊，對(duì)碳布進(jìn)行剪裁處理，再對(duì)其壓緊并縫合，獲得異形翻邊封閉承力框的整體織物；
[0009]5)按異形翻邊封閉承力框整體織物三維尺寸制作材質(zhì)為石墨的工裝，該模具采用分瓣式設(shè)計(jì)；
[0010]6)將步驟4)得到的承力框整體織物放置于步驟5)的石墨工裝上，進(jìn)行熱處理，去除纖維表面的漿劑后形成帶石墨工裝的碳纖維預(yù)制體；
[0011 ] 7)將帶石墨工裝的碳纖維預(yù)制體浸漬瀝青，然后進(jìn)行碳化處理，反復(fù)循環(huán)形成一定密度的碳/碳在制品；
[0012]8)將步驟7)的碳/碳在制品進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚?br>[0013]9)將步驟8)處理后的碳/碳在制品進(jìn)行瀝青高壓浸漬-碳化處理，浸漬壓力50MPa以上；
[0014]10)將步驟9)中的碳/碳在制品進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚?br>[0015]11)重復(fù)步驟9)?步驟10)進(jìn)行多次增密，直到材料密度大于等于1.85g/cm3以上，即制得異形翻邊封閉碳/碳整體承力框。
[0016]所述步驟3)中，預(yù)先設(shè)計(jì)的鋪層順序?yàn)?°/+45° /90° /-45°、0° /+45° /90° /-45° /0°、0°/90°/+45°/0°/90°/-45°、0°/+45°/90°/-45°/0°/-45°/90°/+45°/0°、0°/90°/+45°/
O。/90。/-45。/O。/90。、0。/90。/+45。/O。/O。/-45。/O。/90?；騉。/90。/+45。/-45。/O。/90。，碳布?jí)K按照預(yù)先設(shè)計(jì)的鋪層順序在45°方向引入纖維，纖維體積含量45%?55%，縫合間距4?1mmο
[0017]所述步驟4)中，對(duì)碳布進(jìn)行剪裁處理的方式如下；
[0018]當(dāng)碳布由平面部分向曲面部分翻邊時(shí)，對(duì)碳布進(jìn)行裁剪，對(duì)裁剪后留下的缺口進(jìn)行碳布補(bǔ)強(qiáng)處理；
[0019]當(dāng)碳布由曲面部A向平面部分翻邊時(shí)，直接將多余碳布裁剪即可。
[0020]所述步驟6)中熱處理的方法為:以200?500°C/h的速率從室溫升溫至1800?2300C，保溫2?3h后自由降溫。
[0021]所述步驟7)中，將帶石墨工裝的碳纖維預(yù)制體浸漬瀝青的實(shí)現(xiàn)方式為為:浸漬溫度為160?260°C，浸漬壓力為0.1?3MPa，保壓時(shí)間為5?8h;碳化處理的實(shí)現(xiàn)方式為:以50?100 °C/h的速率從室溫升溫至300 °C，然后以5?50 °C/h的速率升溫至650 °C，最后以10?80 0C /h的速率升溫至850 0C后，保溫2?5h，然后自由降溫。
[0022]步驟8)或步驟10)中，高溫?zé)崽幚淼姆椒?以50?200°C/h的速率從室溫升溫至800°C，然后以10?50°C/h的速率從800°C升溫至1200°C，最后以30?100°C/h的速率從1200°C升溫至1800?2300 °C，保溫2?5h后，進(jìn)行降溫處理;所述降溫處理時(shí)，降溫速率小于100?200°C/h，直到溫度降至900°C，900°C以下自由降溫。
[0023]所述步驟9)中瀝青高壓浸漬-碳化處理的工藝條件為:浸漬壓力60?lOOMPa，碳化溫度700?900°C，時(shí)間為15?20h。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0025](I)本發(fā)明針對(duì)異形翻邊承力框，提出了一種基于碳布疊層結(jié)構(gòu)、分步縫合整體成型方法，可以實(shí)現(xiàn)承力框近凈尺寸成型，與分體框的制造相比，本發(fā)明涉及的整體承力框只需要對(duì)輪廓尺寸小量加工，纖維更連續(xù)、完整，能充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，承載性能更好。
[0026](2)本發(fā)明采用整體編織的方法制造承力框，相對(duì)于分體框而言，不再需要多個(gè)單元件連接，避免了分體框連接處的薄弱性，提高了整體承力框的結(jié)構(gòu)可靠性，降低了成本，同時(shí)縮短了制造周期。
[0027](3)本發(fā)明在織物鋪層順序中增加45°方向纖維，相對(duì)于僅有0°和90°方向纖維而言，有利于提高碳/碳復(fù)合材料在各個(gè)方向的承載能力，保證力學(xué)性能的平衡和匹配。
[0028](4)本發(fā)明在織物編織過程中，需要對(duì)碳布裁剪后的缺口進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，補(bǔ)償纖維不連續(xù)導(dǎo)致的力學(xué)性能下降。
[0029](5)本發(fā)明采用分瓣式石墨工裝，在解決應(yīng)力的同時(shí)有效保證承力框的尺寸精度，有效解決了整體承力框在復(fù)合工藝過程中發(fā)生變形甚至開裂的問題。
[0030](6)本發(fā)明采用瀝青液相高壓增密工藝進(jìn)行復(fù)合，發(fā)揮了瀝青工藝應(yīng)力小的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)利用瀝青的高壓浸漬、碳化工序可以實(shí)現(xiàn)承力框的高致密度和密度的均勻性。
【附圖說明】
[0031 ]圖1為本發(fā)明方法流程圖；
[0032]圖2為一種異形翻邊封閉承力框示意圖，其中(a)為正視圖，(b)為剖視圖；
[0033]圖3為帶石墨工裝的承力框在制品示意圖，其中(a)為正視圖，(b)為剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0035]本發(fā)明從承力框的異形、帶翻邊、封閉型腔的結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，考慮到部件承力特性，提出一種基于碳布疊層結(jié)構(gòu)、分步縫合、近凈尺寸成型方法，獲得整體編織的碳纖維承力框織物。采用液相高壓增密工藝技術(shù)和分瓣式石墨工裝應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整體承力框的變形控制和均勻致密化。
[0036]如圖1所示，本發(fā)明的具體步驟為:
[0037]I)選用國(guó)產(chǎn)T300-1K或T300-3K聚丙烯腈(PAN)基碳纖維，編織成碳布(緞紋、平紋或斜紋)，以經(jīng)向紗線方向?yàn)?°，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)分別形成+45°，90°和-45°，隨后將碳布按承力框型面展開最大包絡(luò)尺寸裁剪成碳布?jí)K備用；
[0038]2)按承力框三維數(shù)模制作模具，實(shí)現(xiàn)碳布的鋪放和壓緊作用；
[0039]3)將步驟I)中的碳布?jí)K按照設(shè)計(jì)的鋪層順序在模具進(jìn)行鋪放，鋪放基準(zhǔn)面可以為曲面翻邊或平面(假設(shè)承力框?yàn)閳D2所示結(jié)構(gòu)，其中(a)為承力框正視圖，(b)為承力框剖視圖，則鋪放基準(zhǔn)面可以為曲面翻邊A或平面B)，隨后對(duì)鋪放后的碳布進(jìn)行壓緊縫合，得到織物中間制品；
[0040]碳布按照0/+45/90/-45、0/+45/90/-45/0、0/90/+45/0/90/-45、0/+45/90/-45/0/-45/90/+45/0、0/90/+45/0/90/-45/0/90、0/90/+45/0/0/-45/0/90、0/90/+45/-45/0/90等鋪層順序在45°方向引入纖維，纖維體積含量45 %?55 %，縫合間距4?10mm。
[0041]4)將步驟3)中的織物中間制品進(jìn)行翻邊處理，翻折出平面部分或曲面翻邊(以圖2所示的結(jié)構(gòu)為例，則翻折出平面部分B或曲面翻邊A)，通過對(duì)碳布的合理剪裁，再對(duì)其壓緊并縫合，獲得異形翻邊封閉框的整體織物。
[0042]對(duì)碳布進(jìn)行剪裁處理的方式如下:
[0043]當(dāng)碳布由平面部分向曲面部分翻邊時(shí)，對(duì)碳布進(jìn)行裁剪，對(duì)裁剪后留下的缺口進(jìn)行碳布補(bǔ)強(qiáng)處理；
[0044]當(dāng)碳布由曲面部A向平面部分翻邊時(shí)，直接將多余碳布裁剪即可。
[0045]5)按承力框織物三維尺寸制作工裝，材質(zhì)選用石墨，采用分瓣式設(shè)計(jì)，解決應(yīng)力的同時(shí)保證框的尺寸精度，如果承力框結(jié)構(gòu)如圖2所示，則制作的石墨工裝如圖3所示，其中圖3中(a)為帶石墨工裝的承力框在制品正視圖，(b)為剖視圖。
[0046]6)將步驟4)中承力框織物防置于步驟5)中石墨工裝上，進(jìn)行一定溫度熱處理，SP以200?500°C/h的速率從室溫升溫至1800?2300 °C，保溫2?3h后自由降溫，去除纖維表面上漿劑后形成碳纖維預(yù)制體；
[0047]7)將步驟6)中的帶石墨工裝的預(yù)制體在一定壓力下浸漬瀝青，浸漬溫度為160?260°C，浸漬壓力為0.1?3MPa，保壓時(shí)間為5?8h;然后進(jìn)行碳化處理，以50?100°C/h的速率從室溫升溫至300 °C，然后以5?50 °C/h的速率升溫至650 °C，最后以10?80 °C/h的速率升溫至850°C后，保溫2?5h，然后自由降溫。反復(fù)循環(huán)，形成一定密度的碳/碳在制品；
[0048]8)將步驟7)中的一定密度的碳/碳在制品進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚刂茻崽幚頊囟?，同時(shí)打開孔道利于下一周期增密。高溫?zé)崽幚淼姆椒?以50?200°C/h的速率從室溫升溫至800°C，然后以10?50°C/h的速率升溫至1200°C，最后以30?100°C/h的速率升溫至1800?2300°C，保溫2?5h后，進(jìn)行降溫處理;所述降溫處理時(shí)，降溫速率小于100?200°C/h，直到溫度降至900°C，900°C以下自由降溫。
[0049]9)將步驟8)中的熱處理后碳/碳在制品進(jìn)行瀝青高壓浸漬-碳化處理，浸漬壓力60?lOOMPa，碳化溫度700?900°C，時(shí)間為15?20h。。
[0050]10)將步驟9)中的碳/碳在制品進(jìn)行高溫?zé)崽幚?方法同8))，控制熱處理溫度；
[0051 ] 11)重復(fù)步驟9)?步驟10)進(jìn)行多次增密，直到材料密度達(dá)到1.85g/cm3以上，即制得異形翻邊封閉碳/碳整體承力框。
[0052]實(shí)施例1
[0053]以加工圖2所示的承力框結(jié)構(gòu)為例:
[0054]I)選用國(guó)產(chǎn)T300-3K PAN基碳纖維編織成斜紋碳布，以經(jīng)向紗線方向?yàn)?°，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)分別形成+45°，90°和-45°，隨后按承力框型面展開最大包絡(luò)尺寸裁剪成碳布?jí)K備用；
[0055]2)按承力框三維數(shù)學(xué)模型制作模具，將步驟I)中的碳布?jí)K按照0/+45/90/-45的鋪層順序在模具上進(jìn)行鋪放，鋪放的基準(zhǔn)面選擇附圖中的曲面翻邊A，隨后對(duì)鋪放后的碳布進(jìn)行壓緊縫合，縫合間距5_ X 5mm，得到織物中間制品；
[0056]3)將步驟2)中的織物中間制品進(jìn)行翻邊處理，由曲面部分A向平面部分B翻邊，碳布裁剪后留下缺口，根據(jù)缺口尺寸進(jìn)行相應(yīng)的碳布補(bǔ)強(qiáng)處理，再對(duì)其壓緊并縫合，縫合間距5_X 5_，獲得異形翻邊封閉框的整體織物；
[0057]4)按承力框織物三維尺寸制作分瓣式石墨工裝，承力框織物放置于石墨工裝上，進(jìn)行熱處理，處理工藝為:以300°C/h的速率從室溫升溫至2100°C，保溫2h后，自由降溫，去除纖維表面的漿劑后形成預(yù)制體。
[0058]5)將步驟4)中的高溫處理后預(yù)制體放置在浸漬罐中進(jìn)行瀝青浸漬，浸漬溫度220°C，壓力IMPa，保壓時(shí)間5h后。對(duì)瀝青浸漬后的材料進(jìn)行碳化處理，獲得一定密度的碳/碳在制品。碳化工藝曲線為:以100 °C /h的速率從室溫升溫至300 °C，以50 °C /h的速率從300 °C升溫至650°C，以50°C/h的速率從650°C升溫至850°C，，850°C時(shí)保溫2h，自由降溫。
[0059]6)將步驟5)中碳化后的在制品進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，高溫處理的工藝曲線為:以200°C/h的速率從室溫升至800°C，以30°C/h的速率從800°C升溫至1200°C，以100°C/h的速率從1200°C升至2300°C，2300°C時(shí)保溫2h;控制降溫速率小于200°C/h，直到溫度降至900°C，900°(:以下自由降溫。
[0060] 7)將步驟6)中的在制品進(jìn)行瀝青高壓浸漬-碳化處理，浸漬壓力60MPa以上，碳化溫度700°C，時(shí)間為15h;
[0061 ] 8)重復(fù)步驟6)，最高熱處理溫度調(diào)整為2000 °C。
[0062]9)重復(fù)步驟7)。
[0063]10)重復(fù)步驟8)。
[0064]11)重復(fù)步驟7)。
[0065]12)重復(fù)步驟6)，最高熱處理溫度調(diào)整為1800°C。
[0066]復(fù)合完成后，碳/碳復(fù)合材料與石墨模具貼模良好，未發(fā)現(xiàn)變形開裂問題。去除石墨模具后獲得碳/碳復(fù)合材料承力框，這是國(guó)內(nèi)最先研制的具有復(fù)雜形狀、翻邊、封閉型腔特征的整體承力框。從承力框上取樣測(cè)試了碳/碳復(fù)合材料性能，其中材料密度為1.87g/cm3，拉伸強(qiáng)度220MPa，壓縮強(qiáng)度165MPa，彎曲強(qiáng)度182MPa，面內(nèi)剪切強(qiáng)度115MPa，層間剪切強(qiáng)度16MPa。
[0067]實(shí)施例2
[0068]以加工圖2所示的承力結(jié)構(gòu)為例:
[0069]I)選用國(guó)產(chǎn)T300-1K PAN基碳纖維編織成斜紋碳布，以經(jīng)向紗線方向?yàn)?°，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)分別形成+45°，90°和-45°，隨后按承力框型面展開最大包絡(luò)尺寸裁剪成碳布?jí)K備用；
[0070]2)按承力框三維數(shù)學(xué)模型制作模具，將步驟I)中的碳布?jí)K按照0//90/-45/0/-45/90/0的鋪層順序在夾具上進(jìn)行鋪放，鋪放的基準(zhǔn)面選擇附圖中的平面部分B，隨后對(duì)鋪放后的碳布進(jìn)行壓緊縫合，縫合間距8_ X 8mm，得到織物中間制品；
[0071]3)將步驟2)中的織物中間制品進(jìn)行翻邊處理，由平面部分B向曲面部分A翻邊，將多余碳布裁剪，再對(duì)其壓緊并縫合，縫合間距8mm X 8mm，獲得異形翻邊封閉框的整體織物；
[0072]4)按承力框織物三維尺寸制作分瓣式石墨工裝，承力框織物放置于石墨工裝上，進(jìn)行熱處理，處理工藝為:以300°C/h的速率從室溫升溫至2000°C后，保溫2h后，自由降溫，去除纖維表面的漿劑后形成預(yù)制體。
[0073]5)將步驟4)中的高溫處理后預(yù)制體放置在浸漬罐中進(jìn)行瀝青浸漬，浸漬溫度260°C，壓力2.5MPa，保壓時(shí)間7h后。對(duì)瀝青浸漬后的材料進(jìn)行碳化處理，獲得一定密度的碳/碳在制品。碳化工藝曲線為:以50°C/h的速率從室溫升溫至300°C，以40°C/h的速率從3000C升溫至650°C，以60°C/h的速率從650°C升溫至850°C，，850°C時(shí)保溫2h，自由降溫。
[0074]6)將步驟5)中碳化后的在制品進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，高溫?zé)崽幚淼墓に嚽€為:以50°C/h的速率從室溫升至800°C，以20°C/h的速率從800°C升溫至1200°C，以80°C/h的速率從1200°C升至2300°C，2300°C時(shí)保溫2h;控制降溫速率小于100°C/h，直到溫度降至900°C，900°(:以下自由降溫。
[0075]7)將步驟6)中的在制品進(jìn)行瀝青高壓浸漬-碳化處理，浸漬壓力10MPa以上，碳化溫度900°C，時(shí)間為20h;
[0076]8)重復(fù)步驟6)，最高熱處理溫度調(diào)整為2100°C。
[0077]9)重復(fù)步驟7)。
[0078]10)重復(fù)步驟8)。
[0079]11)重復(fù)步驟7)。
[0080] 12)重復(fù)步驟8)。
[0081 ] 13)重復(fù)步驟7)。
[0082]14)重復(fù)步驟6)，最高熱處理溫度調(diào)整為1900°C。
[0083]復(fù)合完成后，碳/碳復(fù)合材料與石墨模具貼模良好，未發(fā)現(xiàn)變形開裂問題。去除石墨模具后獲得碳/碳復(fù)合材料承力框，這是國(guó)內(nèi)最先研制的具有復(fù)雜形狀、翻邊、封閉型腔特征的整體承力框。從承力框上取樣測(cè)試了碳/碳復(fù)合材料性能，其中材料密度為1.92g/cm3，拉伸強(qiáng)度235MPa，壓縮強(qiáng)度180MPa，彎曲強(qiáng)度202MPa，面內(nèi)剪切強(qiáng)度102MPa，層間剪切強(qiáng)度18MPa。
[0084]本發(fā)明從承力框的異形、帶翻邊、封閉型腔的結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，考慮到部件承力特性，提出一種基于碳布疊層結(jié)構(gòu)、分步縫合、近凈尺寸成型方法，獲得整體編織的碳纖維承力框織物。采用液相高壓增密工藝技術(shù)和分瓣式石墨工裝應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整體承力框的變形控制和均勻致密化。通過工藝控制和參數(shù)優(yōu)化，提高了材料的力學(xué)性能，最終材料密度1.85?1.95g/cm3，拉伸強(qiáng)度200?260MPa，壓縮和彎曲強(qiáng)度160?200MPa，面內(nèi)剪切強(qiáng)度100?130MPa，層間剪切強(qiáng)度15?20MPa。在保證材料高力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了異形、翻邊、封閉承力框整體凈尺寸成型，大大提高了部件的承載效能。
[0085]與分體框相比，本發(fā)明承力框采用整體成型方法，裝配面少，纖維更連續(xù)、完整，能充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，承載性能更好，同時(shí)大大減少了連接件和單元件的數(shù)量，提高了整體結(jié)構(gòu)的可靠性。
[0086]本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種異形翻邊封閉承力框整體成型方法，其特征在于包括以下步驟: 1)選用T300-1K或T300-3K聚丙烯腈基碳纖維，編織成緞紋、平紋或斜紋的碳布，編織過程中以經(jīng)向紗線方向?yàn)?°，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)分別形成+45°，90°和-45°，隨后將碳布按承力框型面展開最大包絡(luò)尺寸裁剪成碳布?jí)K備用； 2)按承力框三維數(shù)學(xué)模型制作模具，用于實(shí)現(xiàn)碳布的鋪放和壓緊； 3)將步驟I)中的碳布?jí)K按照預(yù)先設(shè)計(jì)的鋪層順序在步驟2)的模具上進(jìn)行鋪放，鋪放基準(zhǔn)面為曲面翻邊或平面，隨后對(duì)鋪放后的碳布進(jìn)行壓緊縫合，得到織物中間制品； 4)將步驟3)中的織物中間制品進(jìn)行翻邊處理，翻折出平面部分或曲面翻邊，對(duì)碳布進(jìn)行剪裁處理，再對(duì)其壓緊并縫合，獲得異形翻邊封閉承力框的整體織物； 5)按異形翻邊封閉承力框整體織物三維尺寸制作材質(zhì)為石墨的工裝，該模具采用分瓣式設(shè)計(jì)； 6)將步驟4)得到的承力框整體織物放置于步驟5)的石墨工裝上，進(jìn)行熱處理，去除纖維表面的漿劑后形成帶石墨工裝的碳纖維預(yù)制體； 7)將帶石墨工裝的碳纖維預(yù)制體浸漬瀝青，然后進(jìn)行碳化處理，反復(fù)循環(huán)形成一定密度的碳/碳在制品； 8)將步驟7)的碳/碳在制品進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚? 9)將步驟8)處理后的碳/碳在制品進(jìn)行瀝青高壓浸漬-碳化處理，浸漬壓力50MPa以上； 10)將步驟9)中的碳/碳在制品進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚? 11)重復(fù)步驟9)?步驟10)進(jìn)行多次增密，直到材料密度大于等于1.85g/cm3以上，即制得異形翻邊封閉碳/碳整體承力框。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異形翻邊封閉承力框整體成型方法，其特征在于:所述步驟3)中，預(yù)先設(shè)計(jì)的鋪層順序?yàn)?° /+45° /90° /-45°、0° /+45° /90° /-45° /0°、0° /90° /+45° /0°/90°/-45°、0°/+45°/90°/-45°/0°/-45°/90°/+45°/0°、0°/90°/+45°/0°/90°/-45°/0°/90°、0° /90° /+45° /0° /0° /-45° /0° /90° 或0° /90° /+45° /-45° /0° /90°，碳布?jí)K按照預(yù)先設(shè)計(jì)的鋪層順序在45°方向引入纖維，纖維體積含量45%?55%，縫合間距4?10mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異形翻邊封閉承力框整體成型方法，其特征在于:所述步驟4)中，對(duì)碳布進(jìn)行剪裁處理的方式如下； 當(dāng)碳布由平面部分向曲面部分翻邊時(shí)，對(duì)碳布進(jìn)行裁剪，對(duì)裁剪后留下的缺口進(jìn)行碳布補(bǔ)強(qiáng)處理； 當(dāng)碳布由曲面部A向平面部分翻邊時(shí)，直接將多余碳布裁剪即可。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異形翻邊封閉承力框整體成型方法，其特征在于:所述步驟6)中熱處理的方法為:以200?500°C/h的速率從室溫升溫至1800?2300°C，保溫2?3h后自由降溫。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異形翻邊封閉承力框整體成型方法，其特征在于:所述步驟7)中，將帶石墨工裝的碳纖維預(yù)制體浸漬瀝青的實(shí)現(xiàn)方式為為:浸漬溫度為160?260°C，浸漬壓力為0.1?3MPa，保壓時(shí)間為5?8h;碳化處理的實(shí)現(xiàn)方式為:以50?100 °C /h的速率從室溫升溫至300°C，然后以5?50°C/h的速率升溫至650°C，最后以10?80°C/h的速率升溫至850 C后，保溫2?5h，然后自由降溫。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異形翻邊封閉承力框整體成型方法，其特征在于:步驟8)或步驟10)中，高溫?zé)崽幚淼姆椒?以50?200°C/h的速率從室溫升溫至800°C，然后以10?50°C/h的速率從800°C升溫至1200°C，最后以30?100°C/h的速率從1200°C升溫至1800?2300°C，保溫2?5h后，進(jìn)行降溫處理;所述降溫處理時(shí)，降溫速率小于100?200°C/h，直到溫度降至900°C，900°C以下自由降溫。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異形翻邊封閉承力框整體成型方法，其特征在于:所述步驟9)中瀝青高壓浸漬-碳化處理的工藝條件為:浸漬壓力60?lOOMPa，碳化溫度700?900°C，時(shí)間為15?20h。
【文檔編號(hào)】C04B35/83GK106083122SQ201610402384
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月8日
【發(fā)明人】張中偉, 馮志海, 張震, 王俊山, 房金銘, 王捷冰
【申請(qǐng)人】航天材料及工藝研究所, 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院