本發(fā)明屬于復(fù)合材料成型技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合材料管件的成型模具及成型方法。

背景技術(shù)：

復(fù)合材料制品具有比強(qiáng)度和比模量高、可設(shè)計(jì)性好、絕緣性能好、優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)，主要在航天航空、國防軍工、工業(yè)以及高端體育等高新技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用。尤其對于航天航空領(lǐng)域，復(fù)合材料制品，特別是復(fù)合材料管件制品在衛(wèi)星等飛行器的承力桁架中起到越來越重要的作用。

復(fù)合材料管件在成型過程中，一般是采用真空袋-熱壓罐、硅橡膠內(nèi)膨脹、陰陽組合模等方式對預(yù)浸料實(shí)施加壓，難以確保對預(yù)浸料全部加壓，進(jìn)而難以對產(chǎn)品內(nèi)部缺陷以及產(chǎn)品尺寸均勻性進(jìn)行有效控制，嚴(yán)重影響復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量。尤其是在航空航天應(yīng)用領(lǐng)域，對產(chǎn)品內(nèi)部缺陷均要求符合標(biāo)準(zhǔn)GB2895的C級及以上，造成產(chǎn)品合格率較低，顯著的制約產(chǎn)品在航天航空等軍工領(lǐng)域結(jié)構(gòu)件輕量化的應(yīng)用進(jìn)程。

通過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利CN101879738B公開了復(fù)合材料管件的制作方法，該發(fā)明先采用在內(nèi)撐芯軸進(jìn)行鋪層預(yù)定型，而后抽出內(nèi)芯再插入三片式活動塊體的非圓形內(nèi)撐芯軸借助于硅軟管加壓成型，保證了產(chǎn)品的制作過程穩(wěn)定性。然而該方法對于產(chǎn)品的外形尺寸控制難以保證，且所提及的內(nèi)撐需要兩種規(guī)格和兩次裝卸，過程繁瑣。中國專利CN103213285B公開了一種變截面封閉腔復(fù)合材料件的成型方法，該方法采用多種加壓方式并存的復(fù)合材料成型工藝，所制備的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定型號。然而該發(fā)明方法需要制備產(chǎn)品過渡芯模、硅橡膠等構(gòu)件，成本較高，成型工序繁瑣。期刊文獻(xiàn)《小角度纏繞矩形復(fù)合材料管的研究》(纖維復(fù)合材料，2011,2,14-16)采用纖維纏繞設(shè)備進(jìn)行纖維纏繞，并對模具等多方面進(jìn)行優(yōu)化制備出符合要求的矩形桿件，但其模具設(shè)計(jì)和制造水平，設(shè)備的精度要求和工作臺面等方面對于復(fù)合材料管件的成型存在一定的限制，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的低成本、高性能制備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種復(fù)合材料管件的成型模具及成型方法。本發(fā)明以表面套尼龍袋膜的芯材層作為成型模具的芯模，實(shí)施內(nèi)加壓膨脹成型，有效的解決現(xiàn)有復(fù)合材料管件成型工藝復(fù)雜，對設(shè)備要求高、模具加工成本高、制品生產(chǎn)成本高，內(nèi)部質(zhì)量差等不足之處。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明提供了一種復(fù)合材料管件的成型模具，包括金屬外模、芯模和設(shè)置在金屬外模兩端的連接結(jié)構(gòu)；所述金屬外模中間設(shè)置有通孔，芯模設(shè)置在通孔內(nèi)；所述金屬外模由上金屬外模和下金屬外模組成；所述芯模包括芯材層和套設(shè)于芯材表面的尼龍袋膜層。

優(yōu)選地，所述尼龍袋膜層為管狀結(jié)構(gòu)的袋膜，一端密封，另一端連接充氣氣嘴。所述密封可采用密封膠條進(jìn)行。

優(yōu)選地，所述袋膜厚度不低于0.03mm，更優(yōu)選0.03mm～0.15mm,延伸率不低于150％，耐溫不低于80℃，耐壓不低于5MPa。

優(yōu)選地，所述芯材層的材質(zhì)包括泡沫芯材、木質(zhì)芯材、鋼制芯材中的一種。

優(yōu)選地，所述所述泡沫芯材為可發(fā)性聚苯乙烯泡沫(EPS)芯材，密度為5g/cm³～50g/cm³。

優(yōu)選地，所述金屬外模為對模(half)結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述通孔形狀與芯材層外表面形狀相同，通孔內(nèi)壁與芯材層外表面的距離為復(fù)合材料管件的壁厚。

優(yōu)選地，所述通孔形狀和芯材層外表面形狀根據(jù)管件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并制造。

優(yōu)選地，所述連接結(jié)構(gòu)包括前蓋板和后蓋板，前蓋板分別與上金屬外模和下金屬外模的一側(cè)連接，后蓋板分別與上金屬外模和下金屬外模的另一側(cè)連接，所述連接方式包括螺釘連接；所述前蓋板上設(shè)置有第二通孔，充氣氣嘴穿過第二通孔與壓縮氣體的管道連接。

本發(fā)明還提供了一種復(fù)合材料管件的成型方法，所述成型方法為采用前述的成型模具制備復(fù)合材料管件，具體包括以下步驟：

鋪層步驟：將預(yù)浸料按照要求鋪放于芯模表面；

合模步驟：將鋪放了預(yù)浸料的芯模放入通孔內(nèi)，合模；

固化步驟：將合模后的成型模具置于固化設(shè)備中進(jìn)行加熱，同時(shí)充氣氣嘴接通壓縮氣體至尼龍袋膜層內(nèi)部給以加壓固化；

脫模步驟：固化后打開金屬外模，抽出芯模，即得所述復(fù)合材料管件。

優(yōu)選地，所述預(yù)浸料包括纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂預(yù)浸料、纖維增強(qiáng)酚醛樹脂預(yù)浸料、纖維增強(qiáng)氰酸酯預(yù)浸料中的一種或多種。

更優(yōu)選地，所述纖維包括碳纖維、玻璃纖維；更優(yōu)選碳纖維為石墨纖維。

優(yōu)選地，所述鋪放方式包括纖維纏繞、卷管、手工鋪層中的一種或多種。

優(yōu)選地，固化步驟中，所述固化設(shè)備包括熱壓機(jī)、熱壓罐、烘箱等可以提供加熱條件的設(shè)備。

優(yōu)選地，固化步驟中，所述壓縮氣體包括壓縮空氣、壓縮氮?dú)獾?，其壓力不低?.1MPa。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、采用本發(fā)明成型模具制備的復(fù)合材料管件，產(chǎn)品內(nèi)型面因尼龍袋膜的充氣膨脹而保證均勻性，產(chǎn)品的外形通過金屬外模保證，進(jìn)而保證產(chǎn)品的壁厚均勻性。采用內(nèi)部充氣膨脹，氣壓可調(diào)，所制備的管件產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量良好，可以達(dá)到GB2895中內(nèi)部缺陷C級及以上的要求。此外，采用可發(fā)性聚苯乙烯泡沫作為成型芯模的芯材層，在高溫固化過程中會因受熱而收縮為微小體積的固體，連同尼龍袋膜層一起被抽出，避免了多余物的產(chǎn)生。

2、采用本發(fā)明方法成型模具制備復(fù)合材料管件，對于同根管件具有不同厚度，以及具有異形截面或者復(fù)雜結(jié)構(gòu)的管件均可以一次性成型，工藝性可實(shí)施性強(qiáng)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性好。

3、采用本發(fā)明成型模具制備復(fù)合材料管件，對于纖維纏繞機(jī)、卷管機(jī)等設(shè)備無強(qiáng)制性需求，降低了生產(chǎn)過程中的設(shè)備投入。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明成型模具的示意圖；

圖2為本發(fā)明成型模具的芯模結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：1-上金屬外模；2-下金屬外模；3-芯模；4-前蓋板；5-后蓋板；6-芯材層；7-尼龍袋膜層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供了一種復(fù)合材料管件的成型模具，如圖1和圖2所示，包括金屬外模、芯模3和設(shè)置在金屬外模兩端的連接結(jié)構(gòu)；所述金屬外模中間設(shè)置有通孔，芯模設(shè)置在通孔內(nèi)；所述金屬外模由上金屬外模1和下金屬外模2組成；所述芯模包括芯材層6和套設(shè)于芯材層外表面的尼龍袋膜層7。

所述尼龍袋膜層7為管狀結(jié)構(gòu)的袋膜，一端密封，另一端連接充氣氣嘴。

所述袋膜厚度為0.03mm～0.15mm，延伸率不低于150％，耐溫不低于80℃，耐壓不低于5MPa。

所述芯材層6為可發(fā)性聚苯乙烯泡沫(EPS)芯材層。

所述可發(fā)性聚苯乙烯泡沫的密度為5g/cm³～50g/cm³。

所述金屬外模為對模結(jié)構(gòu)。

所述通孔形狀與芯材層6外表面形狀相同，通孔內(nèi)壁與芯材層外表面的距離為復(fù)合材料管件的壁厚。

所述通孔形狀和芯材層6外表面形狀根據(jù)管件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并制造。

所述連接結(jié)構(gòu)包括前蓋板4和后蓋板5，前蓋板4分別與上金屬外模1和下金屬外模2的一側(cè)連接，后蓋板5分別與上金屬外模1和下金屬外模2的另一側(cè)連接，所述連接方式包括螺釘連接。

所述前蓋板4上設(shè)置有第二通孔，充氣氣嘴穿過第二通孔與壓縮氣體的管道連接。

本實(shí)施例還涉及一種復(fù)合材料管件的成型方法，采用碳纖維環(huán)氧樹脂熱熔法預(yù)浸料制備內(nèi)徑40mm,壁厚2mm的典型復(fù)合材料圓桿。具體步驟是：

(1)制備外徑為40mm(-0.05mm，-0.02mm)的聚苯乙烯泡沫圓柱體芯材層；

(2)采用內(nèi)徑為40mm(-0.05mm，0mm)，厚度為0.05mm的尼龍袋膜7套裝在聚苯乙烯泡沫圓柱體芯材層外表面形成芯模3；

(3)采用單層厚度0.2mm，面密度200g/m²的碳纖維環(huán)氧樹脂熱熔法預(yù)浸料在芯模3上進(jìn)行鋪層，鋪層順序?yàn)閇0/90/+45/-45/0]s,層數(shù)為10層；

(4)將尼龍袋膜層7一端密封，一端連接充氣氣嘴；

(5)將上述毛坯置于模具型腔并合模固定；

(6)將裝好毛坯件的模具置于熱壓機(jī)，充氣氣嘴與壓縮空氣連接；

(7)按照80℃1小時(shí)+130℃3小時(shí)，壓力為0.5MPa的固化制度進(jìn)行產(chǎn)品固化成型；

(8)冷卻至室溫后，脫模，修毛刺，即得復(fù)合材料圓桿。

本實(shí)施例制得的復(fù)合材料圓桿，經(jīng)測試，壁厚2mm(+0.05mm,-0.03mm)，探傷滿足GB2895中C級要求，完全滿足我國宇航型號等結(jié)構(gòu)件的性能指標(biāo)。

本實(shí)施例制備的復(fù)合材料圓桿，與傳統(tǒng)纖維纏繞等工藝方法相比，不僅降低復(fù)合材料模具的制造成本和設(shè)備的限制，并且實(shí)現(xiàn)了材料在壁厚均勻性、內(nèi)部質(zhì)量控制方面的顯著提升。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供了一種復(fù)合材料管件的成型模具和成型方法，與實(shí)施例1的不同點(diǎn)是：所制備的復(fù)合材料管件的截面形狀為五邊形，所制備的聚苯乙烯泡沫芯材層截面形狀也為五邊形，其他模具結(jié)構(gòu)、模具成型步驟和參數(shù)與實(shí)施例1相同。所得復(fù)合材料五邊形管件的壁厚為2mm(0mm,-0.05mm)，探傷滿足GB2895中A級要求。

綜上所述，為滿足航天航空、國防軍工、工業(yè)以及高端體育等高新技術(shù)領(lǐng)域中復(fù)合材料管件高質(zhì)量低成本的應(yīng)用需求，本發(fā)明經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，采用尼龍袋膜套裝在聚苯乙烯泡沫體形成芯模3，預(yù)浸料鋪層在芯模3表面后放置在half結(jié)構(gòu)的模具中，經(jīng)內(nèi)部充壓膨脹成型。經(jīng)過大量試驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用，采用該方法制備的復(fù)合材料管件，具有較常規(guī)成型工藝更低的生產(chǎn)成本，更高的內(nèi)部質(zhì)量，更好的產(chǎn)品厚度均勻性，可按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙要求成型各類形狀管件。國內(nèi)至今尚無相關(guān)文獻(xiàn)和專利報(bào)道。

本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)指出，以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，而并不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。