通用式、高成品率的炭泡沫复合材料模具及制备方法与流程

本发明涉及新型复合材料领域，尤其是涉及一种可实现通用式、高成品率的新型炭泡沫复合材料模具及该炭泡沫复合材料模具的制备方法、制备工艺。

背景技术：

先进复合材料因其优良性能得到了迅速发展，并已成为航空航天领域的基本材料。广泛使用复合材料，需要在保障复合材料高质量结构的基础上继续降低其产品成本，在复合材料的产品成本中，大约75％来源于成型工艺。

复合材料模具(compositetooling)广泛应用于地铁车厢、风机叶片等领域，现有的复合材料模具多采用石膏、伐木等材质，与合金钢模具相比，这种材质的复合材料模具成本大幅降低，但是复合材料模具的热膨胀系数匹配度较差，制备出的产品性能一般。

为了提升复合材料模具的热膨胀系数的匹配度，近年行业中提出了基于炭泡沫的复合材料模具，现有的炭泡沫复合材料模具形状并不限于常规的平面，而是存在有高度差的弧形面，在炭泡沫复合材料的制备过程中需要在具有高度差的弧形面上涂覆粘接剂并继续铺贴蒙皮，由于粘接剂通常是可流动的液态状态，而铺贴蒙皮的过程需要耗费较长的时间，因此粘接剂形成的粘接层厚度随弧形面的高度差而有区别，弧形面越低的位置上粘接层由于粘接剂由于向低位置流动而越厚。粘接层厚度不一致导致蒙皮与炭泡沫的粘接强度不同，特别的，由于粘接层厚度不一致导致复合材料模具在温度变化时蒙皮与炭泡沫膨胀系数不同而易加剧了了蒙皮的变形进程，导致炭泡沫复合材料模具的使用寿命极大减少。

技术实现要素：

本发明旨在提出一种通用式、高成品率的炭泡沫复合材料模具及制备方法，以缓解由于粘接层厚度不一致导致复合材料模具在温度变化时蒙皮与炭泡沫膨胀系数不同导致的蒙皮变形进程，导致炭泡沫复合材料模具寿命减少的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种通用式、高成品率的炭泡沫复合材料的制备方法，包括如下步骤：

获取炭泡沫模具基体；

制备炭泡沫模具基体的弧形接触面；

获取预浸润的第一蒙皮纤维束，将第一蒙皮纤维束沿等高度方向缠绕在弧形接触面上，并形成弧形接触面之上的蒙皮粘接底层；

在蒙皮粘接底层上涂覆粘接剂并形成粘接层，将第二蒙皮纤维织物自低向高铺贴在粘接层上；

高温固化处理得到炭泡沫复合材料模具。

进一步的，所述炭泡沫模具基体的密度为0.2g-0.8g/cm3，所述炭泡沫模具基体的压缩强度至少为1.5mpa。

进一步的，所述制备炭泡沫模具基体的弧形接触面的步骤包括：

切割获取弧形接触底面。

在弧形接触底面上沿等高方向切割等高槽，形成包含多个等高槽的弧形接触面。

进一步的，所述等高槽的槽宽大于第一蒙皮纤维束的纤维丝直径，当第一蒙皮纤维束缠绕在弧形接触面上时，所述第一蒙皮纤维束的纤维丝缠绕容置于等高槽中。

进一步的，所述将第一蒙皮纤维束沿等高度方向缠绕在弧形接触面上的步骤包括：

在弧形接触底面上涂覆粘接剂并形成预粘层，所述预粘层至少填充满等高槽，将第一蒙皮纤维束沿等高度方向自下而上缠绕在预粘层上。

进一步的，所述在弧形接触底面上沿等高方向切割等高槽的步骤包括：

通过刀头在弧形接触底面上沿等高度方向切割等高槽，所述等高槽之间等间距设置。

进一步的，所述第二蒙皮纤维织物为斜纹布层和/或缎纹布层。

进一步的，所述第一蒙皮纤维束缠绕形成的蒙皮粘接底层厚度小于5mm；所述铺贴在粘接层上的第二蒙皮纤维织物的厚度为5mm-20mm。

进一步的，所述将第二蒙皮纤维织物自低向高铺贴在粘接层上的步骤包括：

将蒙皮纤维织物单元预浸润成型；

将预浸润成型的蒙皮纤维织物单元自低向高铺贴在粘接层上；

将蒙皮纤维织物单元自低向高方向单边辊压压实在粘接层上，并使蒙皮纤维织物单元与底部的蒙皮粘接底层的第一蒙皮纤维束接触。

本发明还提供一种通用式、高成品率的炭泡沫复合材料模具，通过上述任一种方法制备得到。

本发明提供的通用式、高成品率的炭泡沫复合材料的制备方法，通过在弧形接触面上分次设置两层蒙皮纤维织物，第一层蒙皮纤维织束沿等高度方向缠绕在弧形接触面上，保证了了第一蒙皮纤维束与炭泡沫模具基体之间的连接强度，同时第一蒙皮纤维束沿等高度方向缠绕在弧形接触面上形成粗糙的蒙皮粘接底层，该蒙皮粘接底层的纤维丝排列也呈等高度方向设置，因而在蒙皮粘接底层上涂覆粘接剂时，粘接剂会挂在蒙皮粘接层的等高度方向排列的纤维丝上，极大缓解粘接剂沿弧形接触面向下流动汇聚的过程，因而粘接剂固化后形成的粘接层厚度更加均匀一致，第二蒙皮纤维织物与第一蒙皮纤维束的连接均匀性也更好，同时第二蒙皮纤维织物是粘接在第一蒙皮纤维束上，相对于直接铺贴在炭泡沫模具基体上，粘接牢固程度大幅提高，且由于粘接层厚度均压一致，模具蒙皮与炭泡沫模具基体在温度大范围变化的过程中受到炭泡沫膨胀冷缩的影响也更均匀，因而在复合材料模具的有高度差的弧形接触面上的蒙皮变形问题也得到极大改善。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的通用式、高成品率的炭泡沫复合材料的制备方法的流程示意图；

图2为本发明实施例二提供的通用式、高成品率的炭泡沫复合材料的制备方法的流程示意图；

图3为本发明实施例一提供的通用式、高成品率的炭泡沫复合材料模具的局部示意图；

图4为本发明实施例二提供的通用式、高成品率的炭泡沫复合材料模具的局部示意图。

图标：10-炭泡沫模具基体；11-第一蒙皮纤维束；12-第二蒙皮纤维织物；13-粘接层；14-软质伐木；15-弧形接触面；16-等高槽。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例所要解决的技术问题是，现有的炭泡沫复合材料模具形状并不限于常规的平面，而是存在有高度差的弧形面，在炭泡沫复合材料的制备过程中需要在具有高度差的弧形面上涂覆粘接剂并继续铺贴蒙皮，由于粘接剂通常是可流动的液态状态，而铺贴蒙皮的过程需要耗费较长的时间，因此粘接剂形成的粘接层13厚度随弧形面的高度差而有区别，弧形面越低的位置上粘接层13由于粘接剂由于向低位置流动而越厚。粘接层13厚度不一致导致蒙皮与炭泡沫的粘接强度不同，特别的，由于粘接层13厚度不一致导致复合材料模具在温度变化时由于蒙皮与炭泡沫膨胀系数不同而易加剧了了蒙皮的变形进程，导致炭泡沫复合材料模具的使用寿命极大减少。

为了解决上述技术问题，本实施例提供一种通用式、高成品率的炭泡沫复合材料的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：

s110：获取炭泡沫模具基体10。

所述炭泡沫模具基体10的密度为0.2g-0.8g/cm3，所述炭泡沫模具基体10的压缩强度至少为1.5mpa。

s120：制备炭泡沫模具基体10的弧形接触面15。

如图3所示，在制备炭泡沫模具基体10的弧形接触面15时，可先在炭泡沫模具基体10上切割获取弧形接触底面，在弧形接触底面沿等高方向切割等高槽16并最终获取弧形接触面15。等高槽16可作为限定第一蒙皮纤维束11的纹路结构，首先，等高槽16可以增加第一蒙皮纤维束11与炭泡沫模具之间的摩擦力，避免第一蒙皮纤维束11缠绕制备时偏移造成蒙皮粘结底层的不平整；其次，等高槽16也可作为第一蒙皮纤维束11等高度缠绕时的导向槽，更方便第一蒙皮纤维束11准确的进行等高度方向缠绕制备。

在弧形接触底面上沿等高方向切割等高槽16的步骤包括：通过刀头在弧形接触底面上沿等高度方向切割等高槽16，所述等高槽16之间等间距设置。

s130：获取预浸润的第一蒙皮纤维束11，将第一蒙皮纤维束11沿等高度方向缠绕在弧形接触面15上，并形成弧形接触面15之上的蒙皮粘接底层。

所述等高槽16的槽宽大于第一蒙皮纤维束11的纤维丝直径，当第一蒙皮纤维束11缠绕在弧形接触面15上时，所述第一蒙皮纤维束11的纤维丝缠绕容置于等高槽16中。

为了进一步增强第一蒙皮纤维束11与炭泡沫模具基体10之间的连接强度和连接稳定性，可在弧形接触底面上涂覆粘接剂并形成预粘层，所述预粘层至少填充满等高槽16，将第一蒙皮纤维束11沿等高度方向自下而上缠绕在预粘层上。

所述第一蒙皮纤维束11为玻璃纤维束或石英纤维束或碳纤维束。

所述第一蒙皮纤维束11缠绕形成的蒙皮粘接底层厚度小于5mm。

s140：在蒙皮粘接底层上涂覆粘接剂并形成粘接层13，将第二蒙皮纤维织物12自低向高铺贴在粘接层13上。

所述粘接层13至少填充蒙皮粘接底层的第一蒙皮纤维束11的缠绕缝隙。

所述粘接剂包括耐高温树脂，所述耐高温树脂至少满足180°高温固化成型条件。

所述第二蒙皮纤维织物12为斜纹布层和/或缎纹布层。所述第二蒙皮纤维织物12为玻璃纤维布层或石英玻璃纤维布层或碳纤维布层。

所述铺贴在粘接层13上的第二蒙皮纤维织物12的厚度为5mm-20mm。

所述将第二蒙皮纤维织物12自低向高铺贴在粘接层13上的步骤包括：将蒙皮纤维织物单元预浸润成型；将预浸润成型的蒙皮纤维织物单元自低向高铺贴在粘接层13上；将蒙皮纤维织物单元自低向高方向单边辊压压实在粘接层13上，并使蒙皮纤维织物单元与底部的蒙皮粘接底层的第一蒙皮纤维束11接触。

s150：高温固化处理得到炭泡沫复合材料模具。

所述高温固化处理的步骤还包括后处理步骤，所述后处理步骤包括冷却处理。

本发明提供的通用式、高成品率的炭泡沫复合材料的制备方法，通过在弧形接触面15上分次设置两层蒙皮纤维织物，第一层蒙皮纤维织束沿等高度方向缠绕在弧形接触面15上，保证了了第一蒙皮纤维束11与炭泡沫模具基体10之间的连接强度，同时第一蒙皮纤维束11沿等高度方向缠绕在弧形接触面15上形成粗糙的蒙皮粘接底层，该蒙皮粘接底层的纤维丝排列也呈等高度方向设置，因而在蒙皮粘接底层上涂覆粘接剂时，粘接剂会挂在蒙皮粘接层13的等高度方向排列的纤维丝上，极大缓解粘接剂沿弧形接触面15向下流动汇聚的过程，因而粘接剂固化后形成的粘接层13厚度更加均匀一致，第二蒙皮纤维织物12与第一蒙皮纤维束11的连接均匀性也更好，同时第二蒙皮纤维织物12是粘接在第一蒙皮纤维束11上，相对于直接铺贴在炭泡沫模具基体10上，粘接牢固程度大幅提高，且由于粘接层13厚度均压一致，模具蒙皮与炭泡沫模具基体10在温度大范围变化的过程中受到炭泡沫膨胀冷缩的影响也更均匀，因而在复合材料模具的有高度差的弧形接触面15上的蒙皮变形问题也得到极大改善。

实施例二

在第一蒙皮纤维束11缠绕包覆在炭泡沫模具基体10的弧形接触面15上时，第一蒙皮纤维束11与炭泡沫模具基体10的连接牢固程度很高，但是，由于炭泡沫的热膨胀系数较高，在高温环境下炭泡沫对第一蒙皮纤维束11的压力也很大，为了保证连接牢固度需要将第一蒙皮纤维束11的缠绕强度加大，而为了减轻第一蒙皮纤维束11在热环境下受到的炭泡沫模具基体10的压力需要减小第一蒙皮纤维束11的缠绕强度，此矛盾造成第一蒙皮纤维束11的缠绕强度控制难以掌握。

为了解决上述技术问题，本实施例提供了一种通用式、高成品率的炭泡沫复合材料的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：

s210：获取炭泡沫模具基体10。

s220：制备炭泡沫模具基体10的弧形接触面15，在炭泡沫模具基体10对应弧形接触面15的两侧铺设软质伐木14，软质伐木14的设置位置如图4所示。

s230：获取预浸润的第一蒙皮纤维束11，将第一蒙皮纤维束11沿等高度方向缠绕在弧形接触面15上，第一蒙皮纤维还至少缠绕在软质伐木14上，并形成弧形接触面15之上的蒙皮粘接底层。

s240：在蒙皮粘接底层上涂覆粘接剂并形成粘接层13，将第二蒙皮纤维织物12自低向高铺贴在粘接层13上。

s250：高温固化处理得到炭泡沫复合材料模具。

通过上述方案，第一蒙皮纤维束11在缠绕在弧形接触面15上时，至少还覆盖炭泡沫模具基体10两侧的软质伐木14，通过软质伐木14的定型可以缓解高温环境下炭泡沫模具基体10对第一蒙皮纤维束11的膨胀压力。

同时，由于软质伐木14还可以对炭泡沫模具基体10两侧形成良好支撑，避免炭泡沫模具基体10在第一蒙皮纤维束11的缠绕压力下变形。

因此，在炭泡沫模具基体10两侧设置软质伐木14，在缠绕第一蒙皮纤维束11时可控制的缠绕压力范围较大，并可以将缠绕压力设置的偏大一些，因为软质伐木14可以抵消掉部分的炭泡沫模具基体10在高温环境下产生的压力。

实施例三

本发明还提供一种通用式、高成品率的炭泡沫复合材料模具，该模具如下炭泡沫复合材料模具制备方法制备得到：

获取炭泡沫模具基体10。

制备炭泡沫模具基体10的弧形接触面15。

获取预浸润的第一蒙皮纤维束11，将第一蒙皮纤维束11沿等高度方向缠绕在弧形接触面15上，并形成弧形接触面15之上的蒙皮粘接底层。

在蒙皮粘接底层上涂覆粘接剂并形成粘接层13，将第二蒙皮纤维织物12自低向高铺贴在粘接层13上。

高温固化处理得到炭泡沫复合材料模具。

通过该工艺方法制备得到的炭泡沫复合模具，具有成型精度高、产品成品率好的优点。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。