一种具有厚度渐变区的复合材料板壳及其成型装置与方法与流程

本发明涉及复合材料成型技术领域，具体的，涉及一种具有厚度渐变区的复合材料板壳及其成型装置与方法。

背景技术：

目前航天用运载火箭、卫星和空间飞行器承力结构大量使用高强度复合材料，其主要优势在于复合材料减重效果好，可增加单次发射的有效载荷。为提高结构强度和承载效率，复合材料板壳类承力件一般在内应力较大的位置设置大壁厚增厚区，并通过壁厚渐变区实现壁厚从厚到薄的连续、平滑转变。采用预浸料铺层成型板壳时，预浸料层间不可避免的夹入空气，且预浸料自身也含有大量小分子挥发分，固化时会挥发成为气体。在预浸料压缩过程中，受纤维张力影响，板壳壁厚渐变区偏厚一侧的成型压力高于偏薄一侧，导致变厚度区内部的气体从偏厚一侧向偏薄一侧迁移，并汇聚成尺寸较大的气泡。在大壁厚板壳的固化过程中，上述气体难以在树脂凝胶前全部排出，导致部分气体滞留在层间，形成分层缺陷。需要通过优化工艺流程，实现预浸料内部气体的充分排出，实现板壳内部质量的提升。

通过对现有专利文献的检索发现，cn112123810a的发明专利公开了一种提高大厚度复合材料舵内部成型质量的工艺方法，该方法主要解决脱模剂向制品内迁移导致的分层缺陷，以及大壁厚制品压机热压成型导致的褶皱缺陷，但并不适用于采用热压罐成型的大型板壳类制品。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有厚度渐变区的复合材料板壳及其成型装置与方法。

根据本发明提供的一种具有厚度渐变区的复合材料板壳的成型装置，包括成型模具、透气脱模布、有孔隔离薄膜、围条、透气毡、以及真空薄膜；

所述透气脱模布与所述成型模具内表面之间用于铺设预浸料，所述透气脱模布、所述有孔隔离薄膜、所述透气毡和所述真空薄膜依次层叠于所述预浸料上，所述围条的侧面与所述复合材料层的端面相接触，所述围条用于阻止所述复合材料层向外流动；

所述透气脱模布、所述有孔隔离薄膜和所述围条罩设于所述透气毡内，所述真空薄膜罩设于所述透气毡之外，所述真空薄膜与所述成型模具的表面密封连接。

一些实施方式中，还包括压板，所述压板设置于所述有孔隔离薄膜与所述透气毡之间。

一些实施方式中，还包括吸胶毡，所述吸胶毡铺设于所述透气脱模布与所述有孔隔离薄膜之间。

一些实施方式中，还包括等压块，所述等压块贴合于所述围条的侧面并位于所述透气毡内，所述等压块与所述成型模具表面之间设置有等压槽，所述等压槽沿所述成型模具周向贯通设置。

本发明还提供了一种具有厚度渐变区的复合材料板壳的成型方法，采用所述的复合材料板壳成型装置，包括如下步骤：

s1，清理步骤：清理所述成型模具的内表面并涂覆脱模剂；

s2，铺设步骤：将部分的预浸料铺设于所述成型模具内表面上,所述围条、所述等压块自内而外依次围合于复合材料层的侧面，将所述透气脱模布、所述有孔隔离薄膜、所述透气毡和所述真空薄膜依次层叠于复合材料层上，并进行常温真空压实操作；

s3，热压步骤：将经步骤s2操作的成型装置送入热压罐内，经抽真空、升温、加压进行热压实操作，待热压实操作完成后拆除所述透气脱模布、所述有孔隔离薄膜、所述围条、所述透气毡以及所述真空薄膜；

s4，余料铺设步骤：将剩余的预浸料铺设于经步骤s3形成的复合材料层上，将所述透气脱模布、所述有孔隔离薄膜、所述透气毡和所述真空薄膜依次层叠于所述复合材料层上，将所述围条围合于复合材料层的端面，并进行常温真空压实操作；

s5，固化步骤：将经步骤s4操作的成型装置送入热压罐内，经抽真空、升温、加压固化以及降温形成板壳；

s6，脱模步骤：拆除所述透气脱模布、所述有孔隔离薄膜、所述围条、所述透气毡、所述真空薄膜以及所述等压块，脱模形成具有厚度渐变区的复合材料板壳。

一些实施方式中，所述步骤s2中，所述有孔隔离薄膜与所述透气毡之间还设置有压板。

一些实施方式中，所述步骤s3中，所述透气脱模布与所述有孔隔离薄膜之间设置有吸胶毡。

一些实施方式中，所述步骤s2形成的复合材料层的层厚达到3-6mm时，进行一次所述步骤s3中的热压操作。

一些实施方式中，所述步骤s5中，加压固化中的压力施加方式为间断式，当温度升至预设温度点时施加相应的压力，所述压力的施加呈阶梯式变化。

本发明还提供了一种具有厚度渐变区的复合材料板壳，采用所述的具有厚度渐变区的复合材料板壳的成型方法制造而成。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的具有厚度渐变区的复合材料板壳的成型装置通过透气毡形成一个类似罩壳的结构，可使得复合材料层排出的气体集中于透气毡的罩壳内并通过透气毡被真空吸嘴排出，提高气体的移除率。

2、本发明提供的具有厚度渐变区的复合材料板壳的成型装置通过稳压结构件与吸附结构件的设计，使得板壳制作过程中施加于复合材料层上的压力区域均匀，保证复合材料层的流失量在控制范围内，提高了板壳的制作质量

3、本发明提供的具有厚度渐变区的复合材料板壳的成型方法通过在热压实步骤中于复合材料板壳成型装置中设置具有额定吸附量的吸胶毡，控制复合材料形成板壳过程中的损失量，提高板壳的制作质量。

4、本发明提供的具有厚度渐变区的复合材料板壳的成型方法通过优化热压步骤，通过优化压板的位置，提高复合材料层压实成型过程中气体的排放效果，提升板壳的制作质量

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明具有厚度渐变区的复合材料板壳结构剖视图；

图2为本发明具有厚度渐变区的复合材料板壳整体结构示意图；；

图3为本发明具有厚度渐变区的复合材料板壳的成型方法的工艺流程图；

其中，附图中的标记为：

1-成型模具，2-透气脱模布，3-有孔隔离薄膜，4-围条，5-透气毡，6-真空薄膜，7-压板，8-吸胶毡，9-等压块，10等压槽，100-复合材料板壳，101-增厚区，102-厚度渐变区，103-平厚区。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明提供了一种具有厚度渐变区的复合材料板壳的成型装置，如图1-2所示，特别适用于带有法兰边的单曲面或双曲面的板壳结构的成型装置，包括成型模具1、透气脱模布2、有孔隔离薄膜3、围条4、透气毡5以及真空薄膜6。成型模具1作为基础承力件，形成板壳的复合材料预浸料通过铺设于成型模具1的内表面上形成复合材料层。成型模具1的形状根据待制作的板壳的形状进行设计，如典型结构包含有外沿平台的半球形、锥台形等。围条4则活动安装于成型模具1的内表面的外沿平台上，且围条4的一个侧面用于和复合材料层的侧面贴合接触，用于阻止复合材料层在加压和\或加热情况下向外流，此时围条4的高度高于与其相接触部分的复合材料层的厚度，使得预浸料不外流。而透气脱模布2、有孔隔离薄膜3、透气毡5以及真空薄膜6则以层叠的方式依次设置于复合材料层上，透气脱模布2与复合材料层相接触。同时，透气毡5将透气脱模布2、有孔隔离薄膜3以及围条4罩设于内，其实现方式可通过将透气毡5的边压合于成型模具1的内表面上。而真空薄膜6罩位于透气毡5的外层，并与成型模具1实现密封连接，其密封连接可通过密封条11将真空薄膜6的边沿密封压合于成型模具1的内表面上。

本发明提供的复合材料板壳成型装置的工作原理为：通过加压加热操作，置于成型模具1内表面和透气脱模布2之间的预浸料产生流动，预浸料的流动为位于预浸料层间的气泡提供了驱动力，厚度渐变区的预浸料带着气泡向较薄的等厚区移动过程中，位于预浸料夹层中的气泡通过有孔隔离薄膜3逸出并集中于透气毡的罩壳内，进而通过真空吸嘴将气体排出，提高气泡的移除率。

优选的，还包括压板7，其压板7设置于有孔隔离薄膜3和透气毡5之间，压板7具有提高复合材料层的平整度的作用，主要包括平面板材、曲面板材以及双曲面板材等，其为平面板材时如可为钢制的平面板材，其为曲面板材时主要为单曲面板材且具有一定的柔性，如0.3mm的铝制均压板、0.5mm玻璃钢均压板，其为双曲面板材时优选橡胶软膜加压形成的均压板，以提高对型面的适应性。

实施例2

本实施例2是在实施例1的基础上形成，通过稳压结构件与吸附结构件的设计，使得板壳制作过程中施加于复合材料层上的压力区域均匀，保证复合材料层的流失量在控制范围内，提高了板壳的制作质量。

如图1-2所示，于复合材料板壳成型装置中设置具有吸附作用的吸胶毡8，其吸胶毡8设置于透气脱模布2与有孔隔离薄膜3之间，用于吸附在加压加热复合材料层的过程中溢出的复合材料。通过设计吸胶毡8的吸附能力，即通过设计吸胶毡8的额定吸附量确保复合材料的流失在可控范围内，进而保证形成的板壳的复合材料用量，即能够确保板壳的密度，提高板壳的质量。

进一步的，于复合材料板壳成型装置中设置有等压块9，等压块9贴合于围条4的侧面，且等压块9连接于成型模具1的表面上后，在等压块9与成型模具1之间形成有等压槽10。等压槽10沿成型模具1的周向贯通设置，沿成型模具1周向贯通设置的等压槽10在抽真空加压时，等压槽10因为贯通设计而具有相同的压力，能够确保施加于复合材料层上的压力具有较佳的均匀性，提高板壳成型后的质量。等压槽10与外界气体的连通可通过等压块9上或多块等压块9之间设置有微小缝隙实现。其等压槽10优选设置于等压块9的地面上，通过开设凹槽即可形成。当然，等压槽10亦可设置于成型模具1的表现上，通过方形的等压块9盖合于上方即可形成。

实施例3

本实施例3是利用实施例1或实施例2中的具有厚度渐变区的复合材料板壳的成型装置形成的一种具有厚度渐变区的复合材料板壳的成型方法，如图1-3所示，以一种大壁厚、包含双曲面、变厚度复合材料板壳为例，其所要制作的复合材料板壳100的主体部分为球冠形(双曲率型面)，主体外沿设置平面法兰，法兰及相邻的部分球面为增厚区101，其主体部分称为平厚区103，自增厚区101至平厚区103厚度逐渐变薄的一段距离记作为厚度渐变区102。增厚区101壁厚为12mm，平厚区壁厚为6mm，自增厚区101至平厚区103之间为60mm长度的厚度渐变区102。板壳2所用预浸料为碳纤维/环氧树脂体系，其中树脂为高温固化环氧树脂，凝胶温度120℃，固化温度200℃，所需成型压力为0.8mpa。具体包括如下步骤：

s1、清理涂覆步骤：清理成型模具1表面并涂覆脱模剂。

s2、铺设步骤：使用部分的预浸料铺设于成型模具1内表面上形成复合材料层,围条4、等压块9自内而外依次围合于复合材料层的外侧面，等压块9位于围条4的外侧，将透气脱模布2、有孔隔离薄膜3、压板7、透气毡5和真空薄膜6依次层叠于复合材料层上，并于常温下进行真空压实操作。具体的为：

在成型模具1表面用全部预浸料的一半的量进行铺层，使平厚区103的厚度达到3mm，增厚区101壁厚达到6mm。在铺设过程中，预浸料铺设形成的复合材料层的厚度每达到增加0.6～1mm时进行一次真空压实操作。真空压实操作前，将围条4、等压块9自内而外依次围合于复合材料层的侧面，将透气脱模布2、有孔隔离薄膜3、压板7、透气毡5和真空薄膜6依次层叠于复合材料层上，其透气毡5作为第一层罩壳将透气脱模布2、有孔隔离薄膜3以及围条4、等压块9罩设于内，边沿通过密封胶条与成型模具1的表面进行密封压合。同时，真空薄膜6作为位于透气毡5外层的第二层罩壳，其四周也通过密封胶条实现与成型模具1的密封压合。真空压实操作中的真空压力为-0.10～-0.090mpa，保压时长1～48小时。

s3、热压步骤：将步骤s2中承载有复合材料层的成型装置送入热压罐内，抽真空至袋内真空压力为-0.10～-0.090mpa后，升温至80℃，而后通过空气或氮气加外压0.5mpa，加压结束后使板壳2在上述环境下静置1～4h。热压实结束后，先将罐内温度降温至30～60℃，再依次卸压、停真空。经抽真空、升温、加压进行热压实操作完成后拆除透气脱模布2、有孔隔离薄膜3、围条4、压板7、透气毡5以及真空薄膜6。其中，本步骤中，热压罐内温度为40～80℃，外加压力为0.1～0.5mpa，真空袋内真空压力为-0.10～-0.090mpa。

s4，余料铺设步骤：将剩余的预浸料继续铺设于经步骤s3形成的复合材料层上，将透气脱模布2、有孔隔离薄膜3、压板7、透气毡5和真空薄膜6依次层叠于复合材料层上，将围条4围合于复合材料层的端面，并于常温下进行真空压实操作。具体的为：

在成型模具1表面用全部预浸料的一半的量进行铺层，使平厚区的壁厚达到6mm，增厚区的壁厚达到12mm。铺设过程中，预浸料铺设形成的复合材料层的厚度每达到增加0.8～1mm时进行一次真空压实操作。真空压实操作前，将围条4、等压块9自内而外依次围合于复合材料层的侧面，将透气脱模布2、有孔隔离薄膜3、压板7、透气毡5和真空薄膜6依次层叠于复合材料层上，其透气毡5作为第一层罩壳将透气脱模布2、有孔隔离薄膜3以及围条4、等压块9罩设于内，边沿通过密封胶条与成型模具1的表面进行密封压合。同时，真空薄膜6作为位于透气毡5外层的第二层罩壳，其四周也通过密封胶条实现与成型模具1的密封压合。真空压实操作中的真空压力为-0.10～-0.090mpa，保压时长1～48小时。

s5，固化步骤：将步骤s4中承载有复合材料层的复合材料板壳成型装置送入热压罐内，经抽真空、升温、加压固化以及降温形成板壳。其中，抽真空至袋内真空压力为-0.10～-0.090mpa，进行升温加压固化操作，其固化压力施加方式为间断式的分级加压，即升温至不同温度时施加不同的压力，施加的压力大小随温度的升高成阶梯式变化，具体的为：在升温至80℃时加压0.2mpa，升温至100℃时加压0.4mpa，升温至120℃时加压至成型压力0.8mpa，加压结束后继续升温至200℃，并在200℃的温度与0.8mpa压力下静置2-5小时，完成固化形成板壳。

s6，脱模步骤：将步骤s5中的的复合材料板壳成型装置自加热罐移处，拆除透气脱模布2、有孔隔离薄膜3、围条4、透气毡5、真空薄膜6、压板7以及等压块9，并将板壳脱离成型模具1。

实施例4

本实施例4是在实施例3的基础上的形成的，通过优化压板的位置，提高复合材料层压实成型过程中气体的排放效果，提升板壳的制作质量。具体地：

如图1-3所示设置于有孔隔离薄膜3和透气毡5之间的压板7为局部铺设，仅在增厚区101上铺设有压板7，或者仅在增厚区101和厚度渐变区102上铺设压板7，借助压板7自身的重力可有效提高施加于增厚区101和\或厚度渐变区102上的压力，在加压或加热作用下，特别在加热作用下，可进一步提高树脂由较厚区域向较薄区域方向流动的驱动力，通过驱动力驱动厚度渐变区内的预浸料中的的层间气体和小分子挥发气体自厚度渐变区向着较薄的等厚区流动，进而将气体排出，提高了复合材料在压实过程中的气体排出效应，提升了预浸料的密实程度。

实施例5

本实施例5是在实施例3或实施例4的基础上形成，通过在热压实步骤中于复合材料板壳成型装置中设置具有额定吸附量的吸胶毡，控制复合材料形成板壳过程中的损失量，提高板壳的制作质量。

如图1-3所示s5，热压步骤开始前，载有复合材料层的复合材料板壳成型装置送入热压罐内前，在透气脱模布2与有孔隔离薄膜3之间设置具有额定吸附能力的吸胶毡8，用于吸附在加压加热复合材料层的过程中溢出的复合材料。每一种吸胶粘8均是具有额定的吸附量，即通过设计并使用相应额定吸附量的吸胶毡8置于被加热压实的复合材料层的相应部位进行吸附因加热而溢流的树脂等复合材料，确保复合材料的流失在可控范围内，进而保证形成的板壳的复合材料用量，确保形成后的板壳密度，提高板壳的质量。其工作原理为：加热时，厚度渐变区的树脂向预浸料面外方向流动，穿过透气脱模布2后进入吸胶毡8内，由于吸胶毡8外侧布置了有孔隔离薄膜3，当吸胶毡8达到额定吸附量后，有孔隔离薄膜3限制了树脂的流失量，从而实现树脂的定量排出，即：既能将层间气泡带出，又不至于造成过量的树脂流失

吸胶毡6可为多层无碱玻璃纤维织物层叠设计而成，例如可为厚度为0.6mm，由3层厚度0.2mm的无碱玻璃纤维织物叠加而成。

进一步优选的，吸胶毡8的位置可根据复合材料层的厚度进行调节，例如，当最终所制作的板壳的部分区域的壁厚较薄时，如小于等于1.5mm时，此部分可不设置吸胶毡8，仅在壁厚较厚的区域设置吸胶毡，一面壁厚较薄区部分的树脂等材料流失过渡。

实施例6

本实施例6是在实施例3-5任一实施例的基础上形成的一种复合材料板壳，通过实施例3-5任一实施例所述的具有厚度渐变区的复合材料板壳的成型方法形成的一种具有厚度渐变区的复合材料板壳。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“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申请和简化描述，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申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。