一种碳/碳复合材料曲面蜂窝及其制备方法

本发明涉及碳/碳复合材料，特别是涉及一种碳/碳复合材料曲面蜂窝及其制备方法。

背景技术：

1、先进结构材料在光学遥感器件、空间精密机构中有重要应用，在深空探测、量子通信、卫星组网等领域发挥巨大价值，已经成为了世界各国航天装备发展的焦点。面对空间中特殊环境和复杂载荷对材料提出的苛刻的服役需求，碳/碳复合材料与目前常用的铝合金和树脂基碳纤维增强复合材料相比有更加显著的优势。而由碳/碳复合材料组成的蜂窝夹层结构则以其优异的力学性能，超高稳定性、不吸湿等优点受到重点关注和广泛应用。

2、但是由于材料本身的限制，现有的碳/碳复合材料夹层结构制备形式较为单一，服役场景仅限于平面，从而大大限制了其应用范围。而对于目前急需的扇面、圆筒以至于更复杂的二次、三次曲面，则只能基于板材通过机械加工成所需形状或通过钳锁工艺进行加固。但是这些手段并非轻量化解决方案，不仅减重效果有限，而且在材料内部缺乏连续纤维甚至会破坏其本身结构造成力学性能降低。

3、如何针对平面蜂窝夹层结构制备方法的局限性，提出针对性的解决方案以将其应用在曲面上，是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种碳/碳复合材料曲面蜂窝及其制备方法，曲面蜂窝的结构由几何绘图方法确定清晰明确，对于满足复杂环境中的轻质高强度的承载需求具有重要意义，且曲面蜂窝的制备方法可设计性强、适用性强，不受尺寸和高度的限制。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种碳/碳复合材料曲面蜂窝，曲面蜂窝的内表面和外表面均为圆或圆弧的一部分，其内表面孔洞为正六边形，外表面孔洞为近似的正六边形，曲面蜂窝的单胞形状与一正六棱锥切过一空心圆筒所交实体的外表面相同，且所述正六棱锥的轴线与所述圆筒的轴线垂直，所述六棱锥的顶点在所述圆筒的轴线上，所述正六棱锥的底边中存在两对边

3、2π

4、与所述圆筒的轴线垂直，所述正六棱锥的顶角的取值应为3n，n为正整数。

5、优选的，n大于20。

6、碳/碳复合材料曲面蜂窝的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

7、步骤1，制备下模具：所述实体的一半经以所述圆筒的轴线为轴线环向阵列后置于圆环之上形成下模具，所述实体的一半为所述下模具的凸起部，两个所述凸起部之间形成凹槽部；

8、步骤2，制备上模具：所述上模具与所述下模具结构相同，且所述上模具的凸起部与所述下模具的凹槽部对应设置，所述上模具与所述下模具之间的间隙与预浸料条带的铺层厚度相适配；

9、步骤3，获得装配体：先将下模具和上模具于烘箱中预热,在上模具和下模具上涂抹脱模剂或放置脱模布，然后将预浸料条带铺层在下模具上，上模具下压将预浸料条带压实，完成合模，得到由上模具、下模具和预浸料条带组成的装配体；

10、步骤4，热压成型：将步骤3中得到的装配体放置于平板硫化机中进行热压成型并得到弧形瓦楞板板条；

11、步骤5，获得曲面蜂窝：重复步骤3-4，得到若干个弧形瓦楞板板条并粘接制成曲面蜂窝；

12、步骤6，获得碳基体：对步骤5中所获得的曲面蜂窝进行浸渍、固化、裂解得到碳基体；

13、步骤7，获得碳/碳复合材料曲面蜂窝：重复步骤6共3-5轮，得到适当厚度的碳基体的碳/碳复合材料曲面蜂窝。

14、优选的，所述上模具和所述下模具的材料为刚度良好的金属。

15、优选的，步骤5中粘接用到的粘接剂为陶瓷结构胶或高分子粘接剂。

16、优选的，步骤5中的所述粘接剂中添加有负热膨胀比的填料。

17、优选的，步骤3中的所述预浸料条带的形状为圆环或圆环的一部分，预浸料条带的曲率半径为下模具的曲率半径的1.5倍。

18、优选的，步骤6中浸渍在压力容器中进行，在通入保护气体0.3-0.5mpa之后关闭气源，设置程序升温，保温保压4-5小时后取出蜂窝，浸渍工艺完成；固化工艺在加热容器中进行，根据前驱体树脂性质的不同制订不同的升温曲线；裂解工艺在气氛容器中进行，根据前驱体树脂性质的不同制订不同的升温曲线。

19、优选的，步骤六获得碳基体之前先对步骤五中获得的曲面蜂窝进行900摄氏度以上的高温处理使有机物裂解以降低其结构内应力。

20、因此，本发明采用上述结构的碳/碳复合材料曲面蜂窝及其制备方法，具有如下有益效果：

21、1.通过工艺在碳纤维上制备碳基体，不仅具备良好的抗热膨胀、不吸湿等性能，还可以显著提高蜂窝结构的服役温度，使其应用于更广泛的场景。

22、2.本发明提供的方法可设计性强，可以针对不同的设计尺寸和规格灵活设计模具，且制备过程不受半径和高度的限制，有利于尺寸的放大和工业化生产。

23、3.采用刚性模具，有利于板条的成型和热压工艺中力、热的传导与控制从而保证成品规格和形状的稳定性。

24、4.模具的几何绘图方法清楚明确，对不同类型下的蜂窝的结构的制备有重要的指导意义。

25、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种碳/碳复合材料曲面蜂窝，其特征在于：曲面蜂窝的内表面和外表面均为圆或圆弧的一部分，其内表面孔洞为正六边形，外表面孔洞为近似的正六边形，曲面蜂窝的单胞形状与一正六棱锥切过一空心圆筒所交实体的外表面相同，且所述正六棱锥的轴线与所述圆筒的轴线垂直，所述六棱锥的顶点在所述圆筒的轴线上，所述正六棱锥的底边中存在两对边与所述圆筒的轴线垂直，所述正六棱锥的顶角的取值应为n为正整数。

2.根据权利要求1所述的碳/碳复合材料曲面蜂窝，其特征在于：n大于20。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的碳/碳复合材料曲面蜂窝的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的碳/碳复合材料曲面蜂窝的制备方法，其特征在于：所述上模具和所述下模具的材料为刚度良好的金属。

5.根据权利要求4所述的碳/碳复合材料曲面蜂窝的制备方法，其特征在于：步骤5中粘接用到的粘接剂为陶瓷结构胶或高分子粘接剂。

6.根据权利要求5所述的碳/碳复合材料曲面蜂窝的制备方法，其特征在于：步骤5中的所述粘接剂中添加有负热膨胀比的填料。

7.根据权利要求6所述的碳/碳复合材料曲面蜂窝的制备方法，其特征在于：步骤3中的所述预浸料条带的形状为圆环或圆环的一部分，预浸料条带的曲率半径为下模具的曲率半径的1.5倍。

8.根据权利要求7所述的碳/碳复合材料曲面蜂窝的制备方法，其特征在于：步骤6中浸渍在压力容器中进行，在通入保护气体0.3-0.5mpa之后关闭气源，设置程序升温，保温保压4-5小时后取出蜂窝，浸渍工艺完成；固化工艺在加热容器中进行，根据前驱体树脂性质的不同制订不同的升温曲线；裂解工艺在气氛容器中进行，根据前驱体树脂性质的不同制订不同的升温曲线。

9.根据权利要求8所述的碳/碳复合材料曲面蜂窝的制备方法，其特征在于：步骤六获得碳基体之前先对步骤五中获得的曲面蜂窝进行900摄氏度以上的高温处理使有机物裂解以降低其结构内应力。

技术总结
本发明公开了一种碳/碳复合材料曲面蜂窝及其制备方法，曲面蜂窝的内表面和外表面均为圆或圆弧的一部分，其内表面孔洞为正六边形，外表面孔洞为近似的正六边形，曲面蜂窝的单胞形状与一正六棱锥切过一空心圆筒所交实体的外表面相同，且正六棱锥的轴线与圆筒的轴线垂直，六棱锥的顶点在圆筒的轴线上，正六棱锥的底边中存在两对边与圆筒的轴线垂直。本发明采用上述结构的碳/碳复合材料曲面蜂窝及其制备方法，曲面蜂窝的结构由几何绘图方法确定清晰明确，对于满足复杂环境中的轻质高强度的承载需求具有重要意义，且曲面蜂窝的制备方法可设计性强、适用性强，不受尺寸和高度的限制。

技术研发人员：张中伟,李玮洁,武豪,杨玉平
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14