一种碳纤维复合材料接头结构、其制备方法及应用与流程

1.本发明涉及航天发动机壳体领域，特别涉及一种复合材料接头结构、其制备方法及应用。


背景技术：

2.碳纤维复合材料的使用可以有效减轻固体火箭发动机壳体的结构质量，提高有效载荷的运载能力，具有重要的经济及军事意义，如战略导弹固体火箭发动机第三级结构质量减少1kg，可增加射程16km。接头是固体火箭发动机壳体中的关键构件，起到对外连接及承压密封的重要作用。传统的金属材质接头约占壳体10～15％的比重，降低接头重量，具有重要的经济及军事意义。
3.中国专利cn108332051a、cn 109203510等公开了几种碳纤维复合材料接头结构及制备方法，产品采用了碳纤维取代金属材料获得了减重效果，然而均存在着铺层结构复杂、工艺周期长等问题，因而产品人工成本高且生产效率低，难以实现批量化生产。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题是，复合材料接头在生产中铺层方式复杂、工艺周期长、生产效率低等问题，通过对结构形式的优化设计，提供了一种碳纤维复合材料结构；此外，通过改良现有的铺层及预成型工艺技术，提供了该接头产品的制备方法。本发明还提供了该碳纤维复合材料接头的应用。
5.本发明的技术方案是，一种碳纤维复合材料接头结构，包括复合材料层，嵌于复合材料层的若干金属内嵌件；
6.所述复合材料层呈圆环形凸台状，由多层碳纤维预浸料经铺层、模压及固化而成；所述复合材料层结构包括表层、外包层和平铺层，所述表层采用碳纤维编织布预浸料铺层；
7.所述金属内嵌件，嵌于复合材料层内部，所述金属内嵌件一端大，一端小，小端上设有螺纹孔。金属内嵌件贯穿嵌于复合材料层内部。圆环形凸台状是复合材料层形状，所述金属内嵌件一端大，一端小，螺纹设在金属内嵌件的小端。
8.根据本发明的一种碳纤维复合材料接头，优选的是，所述表层的碳纤维为t300级以上碳纤维；所述外包层和平铺层的碳纤维t700级以上碳纤维。
9.复合材料层，由碳纤维预浸料先分多段同步预成型，后模压固化而成。
10.表层使用碳纤维编织布预浸料，以避免产品外层单向带因后续机加而造成损伤，从而优化产品表观及性能，编织布预浸料所含碳纤维各项力学性能指标为t300级以上。外包层和平铺层使用碳纤维单向带预浸料，铺贴角度依次为[(0
°
/45
°
/90
°
/-45
°
/0
°
)s]n
°
，所采用碳纤维各项力学性能指标为t700级以上，其中拉伸强度＞4900mpa，拉伸模量＞230gpa。
[0011]
根据本发明的一种碳纤维复合材料接头，优选的是，述金属嵌件原料选自高强度合金钢30crmnsi；所述金属内嵌件为锥形；螺纹孔开设于锥形的小端。
[0012]
进一步地，螺纹孔深度约为椎体高度80～90％。螺纹孔深度控制在椎体高度80～90％，可以更好降低金属嵌件自重。
[0013]
进一步地，所述金属内嵌件侧面设有对称于锥体中心轴向的平面。这样可以防止螺栓拆装时金属嵌件相对于复合材料层发生轴向旋转。
[0014]
根据本发明的一种碳纤维复合材料接头，优选的是，所述复合材料层结构中表层、外包层和平铺层厚度占比分别约为：1-3％、8％～15％和82％～91％。
[0015]
根据本发明的一种碳纤维复合材料接头，优选的是，所述复合材料层设有匹配金属嵌件的粘接安装孔。复合材料层固化成型后经机加设有匹配金属嵌件的粘接安装孔。具体尺寸及数量根据产品强度及结构设计需求确定。
[0016]
本发明还提供了上述一种碳纤维复合材料接头结构产品的制备方法，该方法包括：
[0017]
(1)工装、模具清理及组装：对平板工装及固化模具各分块表面进行清洁，并按照模具图纸完成阴模组装；
[0018]
(2)下料：将碳纤维预浸料按设计铺层尺寸进行剪裁；
[0019]
(3)多段同步预成型：将表层、外包层及平铺层预浸料分多段采用打真空袋抽真空的方法同时预成型，然后依次层铺进阴模并合模，再置于热压机上进一步冷压预成型；在平板工装上，通过变截面递增铺层方式逐层对接铺贴；
[0020]
(4)固化：在模具溢胶口处布置热电偶，按照根据所用预浸料树脂固化特性制定的温度/压力-时间固化曲线完成固化过程，之后卸压脱模；
[0021]
(5)机加：对固化成型的复合材料接头按照金属内嵌件尺寸和数量机加安装孔，同时完成金属内嵌件的生产；
[0022]
(6)金属嵌件安装：将金属嵌件装入复合材料接头，得到复合材料接头成品。
[0023]
在步骤(1)中，利用高压空气对表面进行初步清理，去除灰尘及树脂残渣等杂质；然后使用有机溶剂进行进一步擦拭清洁。
[0024]
所述有机溶剂优选乙酸乙酯或丙酮；所述平板工装材质为金属。优选的是，平板工装采用q345钢。平板工装表面平整光亮，表面打磨至粗糙度＜3.2μm；
[0025]
步骤(2)中，按照工艺设计文件中的形状、角度、顺序及数量，利用自动下料机对不同铺层部位所用的碳纤维预浸料进行剪裁；
[0026]
步骤(3)中，进一步地，表层和外包层直接在阴模上铺贴，铺贴区域最外层为表层，该层厚度占总体厚度的1～3％，使用碳纤维编织布预浸料。
[0027]
外包层区域位于表层和平铺层之间，通过垂直于平铺层纤维阻碍裂纹的扩展从而对整体结构起到增强作用，提高极限载荷。该区域厚度占总体厚度的8％～15％，使用t700级别以上碳纤维单向带预浸料，各预浸料片根据工艺文件的设计顺序，逐层对接铺贴。
[0028]
进一步地，平铺层为复合材料接头主要组成部分，其厚度占总体厚度的82％～91％，该区域使用t700级别以上碳纤维单向带预浸料。将按工艺设计文件裁剪的料片按顺序分成5～10份，同时在平板工装上，通过变截面递增铺层方式逐层对接铺贴，铺贴角度依次为[(0
°
/45
°
/90
°
/-45
°
/0
°
)s]n
°
。该铺贴角度可以保证强度最优。
[0029]
步骤(4)中，在阴模溢胶槽位置布置热电偶，并与测温仪相连以控制模具温度，按照根据预浸料树脂固化特性制定的温度/压力-时间固化曲线完成固化过程，之后卸压脱
模；
[0030]
步骤(5)中，所述复合材料接头本体机包括外沿尖刺和毛边的切修，以及金属嵌件安装孔的加工；
[0031]
所述金属嵌件的金加工生产可与其他工步同时进行；
[0032]
步骤(6)中，金属嵌件的安装可以利用胶粘剂将金属嵌件安装入复合材料接头本体，加热固化后得到复合材料接头成品；
[0033]
粘结安装时，所述金属嵌件粘接前柱体须经喷砂处理。喷砂有效期为4小时，粘接工步需在喷砂有效期内进行，若过期，则需重新进行喷砂。
[0034]
根据本发明的一种碳纤维复合材料接头结构的制备方法，优选的是，步骤(1)中，阴模和阳模模压面预先喷涂隔离层。喷涂隔离层，这样省略涂脱模剂工步。进一步地，所述隔离层为特氟龙涂层。
[0035]
根据本发明的一种碳纤维复合材料接头结构的制备方法，优选的是，步骤(3)中，表层及外包层预成型在阴模中进行，平铺层预成型在光洁平板工装上进行，二者同步开展。
[0036]
根据本发明的一种碳纤维复合材料接头结构的制备方法，优选的是，步骤(3)中，将平铺层分为5～10等份，分别平铺于光洁平面，同时打真空袋抽真空预成型；步骤(3)中，每铺贴3～5层料片，打一次真空袋预成型，每次抽真空持续时间为15～30min。
[0037]
平铺层分为5～10等份，若份数太少，则提高生产效率的作用不明显；若份数太多，则需要的预成型打袋区域过大，且容易因后续模压层叠份数太多而产生层间缺陷。
[0038]
每铺贴3～5层料片，打一次真空袋预成型，层数设置太少则频率过高，工作量太大，效率提高不明显；层数设置太多则抽真空效果差，达不到预成型的目的。
[0039]
进一步地，表层和外包层预成型直接在阴模上进行，每铺贴3～5层料片，打一次真空袋，压力小于小于-0.094mpa，每次抽真空持续时间不短于15min。
[0040]
更进一步地，平铺层预成型在平板工装上进行，每份料片每铺贴3～5层，同时打一次真空袋，压力为-0.2～-0.094mpa，每次抽真空持续时间约为15～30min。
[0041]
进一步地，上述平铺层料片抽真空预成型完成后，依次层铺进阴模并合模，再置于热压机上进一步冷压预成型，压力为1.7～2.0mpa，时间约为60～120min。
[0042]
本发明还提供了上述一种碳纤维复合材料接头结构在航空技术领域尤其是在固体火箭发动机壳体方面的应用。
[0043]
有益效果：
[0044]
本发明提供的一种高生产效率的碳纤维复合材料接头结构及其制备方法，针对碳纤维复合材料接头铺层结构复杂、工艺周期长等缺点，在保证产品的承力要求的前提下，简化了接头的结构形式，仅保留了必要的表面保护、基本结构以及辅助增强层；此外，在成型工艺上，使用多段同步预成型方法取代原有的逐层铺贴预成型，大大缩短了产品预成型周期，提高了生产效率，使其得以实现高效的批量化生产。
[0045]
本发明通过将航空技术领域所用的固体火箭发动机壳体金属接头用碳纤维复合材料代替，接头的复合材料化能够降低其30％以上的重量。
附图说明
[0046]
图1为本发明提供的实例1中碳纤维复合材料接头结构示意图。图1a是俯视图，图
0.094mpa，每次抽真空持续时间为15min；
[0065]
如图5所示，平铺层预成型在平板工装
③
上进行，使用碳纤维单向带预浸料，铺层总数为180层，将裁剪的料片按工艺设计文件顺序分成9等份，每份20层，同时在平板工装上，通过变截面递增铺层方式逐层对接铺贴，铺贴角度依次为[(0
°
/45
°
/90
°
/-45
°
/0
°
)s]n
°
，每份料片每铺贴3层，同时打一次真空袋，压力约为-0.094mpa，每次抽真空持续时间为15min；
[0066]
上述平铺层9份料片抽真空预成型完成后，依次层铺进阴模并铺贴表层编织布预浸料，合模后置于热压机上进一步冷压预成型，压力为1.7mpa，时间60min；
[0067]
(4)固化：在溢胶槽位置布置热电偶控制模具温度，按照ht2环氧树脂固化温度/压力-时间固化曲线完成固化过程，之后卸压脱模；
[0068]
(5)机加：对复合材料接头进行机械加工，设置金属嵌件安装孔，同时通过金加工完成金属嵌件的生产；
[0069]
(6)金属嵌件安装：对金属嵌件柱体表面进行喷砂处理，清洁后利用胶粘剂将金属嵌件安装入复合材料接头本体，加热固化后得到复合材料接头成品。
[0070]
实施例2
[0071]
一种碳纤维复合材料接头结构及其制备方法，基体
①
上环形凸台厚度为126mm，法兰环外径为1520mm，内径为892mm，基体由碳纤维复合材料组成；接头法兰面设有50个对外连接孔，通过安装在其中的金属嵌件
②
与外界机构相连，结构如图2a-图2c所示，该金属嵌件由高强度合金钢30crmnsi机加而成，具体外形及尺寸如下：外形为锥形，小端直径44mm，大端直径74mm，高度120mm，小端设有m30螺纹孔，孔深度为106mm，占锥体高度88％，柱体侧面机加出对称于抵抗嵌件轴向的扭转受力平面。
[0072]
一种碳纤维复合材料接头结构制备方法如下：
[0073]
原料：同实施例1；
[0074]
制备方法：
[0075]
(1)工装、模具清理及组装：先后分别利用高压气枪和乙酸乙酯对对模具各分块以及预成型所用的平板工装表面进行清洁，待乙酸乙酯完全会发后按照图纸将阴模完成组装；
[0076]
(2)下料：利用自动下料机按照工艺设计文件中各部分料片的形状、角度、顺序及数量，将碳纤维预浸料进行剪裁；
[0077]
所述料片每层厚度约为0.3mm，总数量为420层，其中第1～4层与第417～420层为表层，5-64层为外包层，65-416层为平铺层，表层、外包层和平铺层厚度占比分别约为1.9％、14.2％、83.7％；
[0078]
(3)多段同步预成型：
[0079]
表层和外包层直接在阴模上铺贴，铺贴区域最外层为表层，使用碳纤维编织布预浸料，；之后为外包层，使用碳纤维单向带预浸料，各预浸料片根据工艺文件的设计顺序，逐层对接铺贴。每铺贴5层料片，打一次真空袋，压力约为-0.12mpa，每次抽真空持续时间为30min；
[0080]
平铺层预成型在平板工装
③
上进行，使用碳纤维单向带预浸料，铺层总数为352层，将裁剪的料片按工艺设计文件顺序分成8等份，每份44层，同时在平板工装上，通过变截
面递增铺层方式逐层对接铺贴，铺贴角度依次为[(0
°
/45
°
/90
°
/-45
°
/0
°
)s]n
°
，每份料片每铺贴5层，同时打一次真空袋，压力约为-0.12mpa，每次抽真空持续时间为30min；
[0081]
上述平铺层8份料片抽真空预成型完成后，依次层铺进阴模并铺贴表层编织布预浸料，合模后置于热压机上进一步冷压预成型，压力为1.9mpa，时间90min；
[0082]
其他步骤同实施例1.
[0083]
本发明针对碳纤维复合材料接头铺层结构复杂、工艺周期长等缺点，提供一种高生产效率的碳纤维复合材料接头结构及其制备方法，通过简化结构形式、改良铺层方式及优化预成型方法，在保证产品的承载能力的前提下，大大缩短了产品预成型周期，提高了生产效率，使其得以实现高效的批量化生产。

技术特征：
1.一种碳纤维复合材料接头结构，其特征在于：包括复合材料层，嵌于复合材料层的若干金属内嵌件；所述复合材料层呈圆环形凸台状，由多层碳纤维预浸料经铺层、模压及固化而成；所述复合材料层结构包括表层、外包层和平铺层，所述表层采用碳纤维编织布预浸料铺层；所述金属内嵌件，嵌于复合材料层内部，所述金属内嵌件一端大，一端小，小端上设有螺纹孔。2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料接头结构，其特征在于：所述表层的碳纤维为t300级以上碳纤维；所述外包层和平铺层的碳纤维t700级以上碳纤维。3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料接头结构，其特征在于：所述金属嵌件原料选自高强度合金钢30crmnsi；所述金属内嵌件为锥形。4.根据权利要求3所述的一种碳纤维复合材料接头结构，其特征在于：螺纹孔深度约为椎体高度80～90％。5.根据权利要求3所述的一种碳纤维复合材料接头结构，其特征在于：所述金属内嵌件侧面设有对称于锥体中心轴向的平面。6.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料接头结构，其特征在于：所述复合材料层结构中表层、外包层和平铺层厚度占比分别约为：1～3％、8％～15％和82％～91％。7.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料接头结构，其特征在于：所述复合材料层设有匹配金属嵌件的粘接安装孔。8.权利要求1所述的一种碳纤维复合材料接头结构的制备方法，其特征在于：该方法包括：(1)工装、模具清理及组装：对平板工装及固化模具各分块表面进行清洁，并按照模具图纸完成阴模组装；(2)下料：将碳纤维预浸料按设计铺层尺寸进行剪裁；(3)多段同步预成型：将表层、外包层及平铺层预浸料分多段采用打真空袋抽真空的方法同时预成型，然后依次层铺进阴模并合模，再置于热压机上进一步冷压预成型；在平板工装上，通过变截面递增铺层方式逐层对接铺贴；(4)固化：在模具溢胶口处布置热电偶，按照根据所用预浸料树脂固化特性制定的温度/压力-时间固化曲线完成固化过程，之后卸压脱模；(5)机加：对固化成型的复合材料接头按照金属内嵌件尺寸和数量机加安装孔，同时完成金属内嵌件的生产；(6)金属嵌件安装：将金属嵌件装入复合材料接头，得到复合材料接头成品。9.根据权利要求8所述的一种碳纤维复合材料接头结构的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，阴模和阳模模压面预先喷涂隔离层。10.根据权利要求8所述的一种碳纤维复合材料接头结构的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，表层及外包层预成型在阴模中进行，平铺层预成型在光洁平板工装上进行，二者同步开展。11.根据权利要求8所述的一种碳纤维复合材料接头结构的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，将平铺层分为5～10等份，分别平铺于光洁平面，同时打真空袋抽真空预成型；步骤(3)中，每铺贴3～5层料片，打一次真空袋预成型，每次抽真空持续时间为15～30min。
12.权利要求1所述的一种碳纤维复合材料接头结构在航空技术领域尤其是在固体火箭发动机壳体方面的应用。

技术总结
本发明公开了一种碳纤维复合材料接头结构，该产品主要包括金属嵌件和碳纤维复合材料层。金属嵌件由金属机加而成，小端设有螺纹孔，用于与外部机构的连接；复合材料层由碳纤维预浸料采用多段同步预成型后模压而成。还公开了该复合材料接头结构的制备方法，以及接头在固体火箭发动机壳体方面的应用。本发明针对复合材料接头铺层结构复杂、工艺周期长、生产效率低等缺点，通过简化结构形式、改良铺层方式及优化预成型方法，在保证产品的承载能力的前提下，大大缩短产品预成型周期，提高生产效率，使其得以实现高效的批量化生产。其得以实现高效的批量化生产。


技术研发人员：谭波 佟金泽 陈立峰 熊海亮 贠莉娜 沈伟 汪娜
受保护的技术使用者：精功（绍兴）复合材料技术研发有限公司
技术研发日：2022.03.07
技术公布日：2023/9/20