CN114347445B - 一种碳纤维复合材料低膨胀桁架圆杆的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳纤维复合材料低膨胀桁架圆杆的制备方法，包括以下步骤：步骤S1、桁架圆杆缠绕成型工装的准备；步骤S2、制作预浸料；步骤S3、按照铺层角度裁剪预浸料制备预浸带；步骤S4、在桁架圆杆缠绕成型工装上按照铺层顺序缠绕预浸带；步骤S5、进行表面封装；步骤S6、入炉进行中温固化；步骤7、出炉并进行脱模；步骤S8、对初产品进行端面的细加工。采用本发明提供的制备方法能够制备出空隙率低、热胀系数近低膨胀的碳纤维桁架圆杆，确保了空间用桁架结构的尺寸稳定性，所制作的桁架杆系质量稳定、性能满足设计要求。
Description
技术领域
本发明属于空间光学系统领域，具体涉及一种碳纤维复合材料低膨胀桁架圆杆的制备方法。
背景技术
桁架圆杆组件主要用于支撑光学相机，保证光学相机在空间环境中光学成像功能的正常发挥，桁架圆杆组件不仅要求质量轻，而且桁架圆杆支撑结构需要很低的线胀系数，以确保桁架圆杆支撑结构在因素变化很多的空间环境中，能够保持其结构的热稳定性和尺寸稳定性，以保证光学成像功能的正常发挥。
材料的热膨胀系数是尺寸稳定性的一个重要指标，相对于金属材料热膨胀系数固定而言，纤维增强复合材料热膨胀系数随铺层的不同而变化。在一定范围内纤维增强复合材料的热膨胀系数是可设计的。为了保证整个桁架圆杆支撑结构在发射过程中的稳定性和在使用环境中的热稳定性，由此，设计一款既具有高刚度性能同时具备低的热膨胀系数的桁架圆杆是非常有必要的。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种碳纤维复合材料低膨胀桁架圆杆的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种碳纤维复合材料低膨胀桁架圆杆的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、桁架圆杆缠绕成型工装的准备
所述桁架圆杆缠绕成型工装包括：芯轴和脱模环；所述芯轴的两端与布带缠绕机连接，通过布带缠绕机实现芯轴的转动；
步骤S2、采用热熔工艺法制备预浸料
步骤S3、按照铺层角度裁剪预浸料制备预浸带
裁剪尺寸：预浸料长度L＝桁架圆杆的杆长/cosα，宽度b＝2πR×cosα，R为单层半径，α为缠绕或铺层角度；
步骤S4、在桁架圆杆缠绕成型工装上按照铺层顺序缠绕预浸带
步骤S41、设定布带缠绕机的缠绕张力，将裁剪完成的预浸带穿过张力系统，手动引到桁架圆杆缠绕成型工装的起端，用高温胶带固定；
步骤S42、设定布带缠绕机的主轴缠绕角度；
步骤S43、启动布带缠绕机；
步骤S44、一层缠绕结束后，尾端手动剪断，并固定尾端，即完成角度层的缠绕工作；缠绕时，0°层和角度层交替进行，完成设计要求的层数，其中0°层的铺放，是通过人工对齐起端，采用激光线调正轴向边缘，启动布带缠绕机，设定低速运转，完成0°层的铺放；
步骤S5、进行表面封装
步骤S51、在缠绕完成的未固化产品表面缠绕一层收缩膜，两端用压敏胶带固定；
步骤S52、在收缩膜表面缠绕两层压敏胶带，两端用高温密封胶条进行密封后，两端再用压敏胶带进行二次密封和包裹；
步骤S6、入炉进行中温固化
将表面封装完成的整体结构放入热压罐内，在未固化产品的边缘位置粘贴热电偶，关闭热压罐门，加压；按照中温体系的氰酸酯树脂的固化制度进行固化；
步骤S7、出炉并进行脱模
步骤S71、当炉内温度不高于环境温度时打开炉门，进行出炉的操作，得到桁架圆杆缠绕成型工装和其上的固化产品；
步骤S72、对固化产品尾端进行初次加工；
步骤S73、将脱模环2的环面置于固化产品尾端的端面上，把桁架圆杆缠绕成型工装和固化产品安放到脱模机内，启动，脱模机转动并拉拽芯轴，同时脱模环将固化产品固定在原位置，完成脱芯轴的操作，得到脱模产品；
步骤S74、运转脱模产品至成型区，按照顺序，去除封装材料，得到初产品；
步骤S8、对初产品进行端面的细加工
钳工按照图纸要求，进行端面切除，端面平行度研磨工作，得到终产品，即桁架圆杆。
作为本发明的优选，步骤S1中，所述芯轴为变截面的阶梯轴，表面电镀Cr，芯轴前后两端直径小于中间的有效长度段，变截面的长度大于150mm；所述脱模环为圆环截面，脱模环的厚度为25mm，脱模环内径大于桁架圆杆的内径。
作为本发明的优选，步骤S2中，所述预浸料的增强纤维为东丽T800HB碳纤维和东丽M55JB碳纤维，预浸料的树脂基体为氰酸酯树脂体系的中温固化体系，预浸料厚度为0.1mm。
作为本发明的优选，步骤S3中，所述缠绕角度为0°、71°；桁架圆杆的杆长为1.2m-2.6m，桁架圆杆的内径为43.2mm-80mm。
作为本发明的优选，步骤S4中，所述铺层顺序为[0/+71/0/-71/0]ns，0°层为高模预浸料，角度层为高强预浸料。
作为本发明的优选，步骤S5中，所述收缩膜为中温PE收缩膜，前进量为0.5mm-1.5mm；所述压敏胶带为耐高温压敏胶带，两层压敏胶带，需要搭接2mm；所述高温密封胶条能够耐200℃高温，高温密封胶条的密封长度要求端面为中点，前后长度为100mm。
作为本发明的优选，步骤S6中，所述表面封装完成的整体结构竖直放入热压罐内，在关闭热压罐门后，随即进行加压操作，加压压力为0.3MPa-0.5MPa；所述氰酸酯树脂的固化制度为：固化温度110℃-135℃，固化时间2h-4h。
作为本发明的优选，步骤S7中，在炉内温度不高于环境温度5℃时打开炉门，进行出炉的操作；对固化产品尾端进行初次加工时，其端面平行度小于0.15；去除封装材料的顺序为：去除端面高温密封胶条、去除压敏胶带、去除收缩膜。
作为本发明的优选，步骤S8中，在进行端面细加工时，要求端面的平行度小于0.1。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供的碳纤维复合材料低膨胀桁架圆杆的制备方法，该方法的铺层设计及成型工艺步骤具有独创性，按照[0/+71/0/-71/0]ns的铺层方案进行铺放和缠绕，按照封装办法及固化制工艺方法进行制作，通过该工艺方法能够制备出尺寸稳定性高，线胀系数能够达到±0.05×10-6mm/℃的碳纤维复合材料桁架圆杆。
(2)本发明中桁架圆杆缠绕成型工装的模具表面电镀Cr，能够有效解决脱模难的问题；本发明中采用温固化体系的预浸料，有效解决了因高温固化应力高影响线胀系数的问题。
(4)本发明提供的碳纤维复合材料低膨胀桁架圆杆的制备方法，可以实现干法预浸料圆杆制作并完成圆杆的脱模。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为本发明中桁架圆杆缠绕成型工装的结构示意图。
图2为图1的剖视图。
图3为本发明的工作流程图。
具体实施方式
为使本领域技术人员能够更好的理解本发明的技术方案及其优点，下面结合附图3对本申请进行详细描述，但并不用于限定本发明的保护范围。
实施例1
一种碳纤维复合材料低膨胀桁架圆杆的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、桁架圆杆缠绕成型工装的准备
所述桁架圆杆缠绕成型工装包括：芯轴1和脱模环2(参阅图1和图2)；所述芯轴1的两端与布带缠绕机连接，通过布带缠绕机实现芯轴的转动；芯轴1为变截面的阶梯轴，表面电镀Cr，芯轴前后两端直径小于中间的有效长度段，变截面的长度大于150mm；脱模环2为圆环截面，脱模环2的厚度为25mm，脱模环2内径大于桁架圆杆的内径；
步骤S2、采用热熔工艺法制备预浸料
预浸料的增强纤维为东丽T800HB碳纤维和东丽M55JB碳纤维，预浸料的树脂基体为氰酸酯树脂体系的中温固化体系，预浸料厚度为0.1mm；
步骤S3、按照铺层角度裁剪预浸料制备预浸带
裁剪尺寸：预浸料长度L＝桁架圆杆的杆长/cosα，宽度b＝2πR×cosα，R为单层半径，α为缠绕或铺层角度；缠绕角度为0°、71°，0度预浸料为M55/氰酸酯/0.1mm，角度层预浸料为T800/氰酸酯/0.1mm，桁架圆杆的杆长为1.2m-2.6m，桁架圆杆的内径为43.2mm-80mm；
步骤S4、在桁架圆杆缠绕成型工装上按照铺层顺序缠绕预浸带
铺层顺序为[0/+71/0/-71/0]ns，0°层为高模预浸料，角度层为高强预浸料，。
步骤S41、设定布带缠绕机的缠绕张力(T*75％kg)，将裁剪完成的预浸带穿过张力系统，手动引到桁架圆杆缠绕成型工装的起端，用耐高温的高温胶带固定；
步骤S42、设定布带缠绕机的主轴缠绕角度(L*360*tanα/2πR)；
步骤S43、启动布带缠绕机；
步骤S44、一层缠绕结束后，尾端手动剪断，并固定尾端，即完成角度层的缠绕工作；缠绕时，0°层(M55/氰酸酯/0.1mm)和角度层(M55/氰酸酯/0.1mm)交替进行，完成设计要求的层数，其中0°层的铺放，是通过人工对齐起端，采用激光线调正轴向边缘，启动布带缠绕机，设定低速运转，完成0°层的铺放；
步骤S5、进行表面封装
步骤S51、在缠绕完成的未固化产品表面缠绕一层收缩膜(中温PE)，两端用耐高温压敏胶带固定；
步骤S52、在收缩膜表面缠绕两层压敏胶带，搭接2mm，两端用高温密封胶条(耐200℃)进行密封后，两端再用压敏胶带进行二次密封和包裹，高温密封胶条的密封长度要求端面为中点，前后长度为100mm；
步骤S6、入炉进行中温固化
将表面封装完成的整体结构竖直放入热压罐内，在未固化产品的边缘位置粘贴热电偶，关闭热压罐门，随即加压，加压压力为0.3MPa-0.5MPa；按照中温体系的氰酸酯树脂的固化制度进行固化，固化温度110℃-135℃，固化时间2h-4h；
步骤S7、出炉并进行脱模
步骤S71、当炉内温度不高于环境温度5℃时打开炉门，进行出炉的操作，得到桁架圆杆缠绕成型工装和其上的固化产品；
步骤S72、对固化产品尾端进行初次加工，其端面平行度小于0.15；
步骤S73、将脱模环2的环面安装于固化产品尾端的端面上，把桁架圆杆缠绕成型工装和固化产品安放到脱模机内，其中安装脱模环端的芯轴1上开有通孔3(参阅图2)，在通孔3中插入销轴，启动，脱模机转动并拉拽芯轴1，同时脱模环2将固化产品固定在原位置，完成脱芯轴1的操作，得到脱模产品；
步骤S74、运转脱模产品至成型区，按照顺序，去除封装材料，顺序为：去除端面高温密封胶条、去除压敏胶带、去除收缩膜，得到初产品；
步骤S8、对初产品进行端面的细加工
钳工按照图纸要求，进行端面切除，端面平行度研磨工作，端面的平行度小于0.1，得到终产品，即桁架圆杆。
采用本发明提供的方法制得的56根碳纤维桁架圆杆已经通过了全部的热真空循环、高低温试验、线胀测试试验，线胀系数满足设计指标要求，达到±0.05×10-6mm/℃的国内领先水平。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种碳纤维复合材料低膨胀桁架圆杆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、桁架圆杆缠绕成型工装的准备
所述桁架圆杆缠绕成型工装包括：芯轴和脱模环；所述芯轴的两端与布带缠绕机连接，通过布带缠绕机实现芯轴的转动；
步骤S2、采用热熔工艺法制备预浸料
步骤S3、按照铺层角度裁剪预浸料制备预浸带
裁剪尺寸：预浸料长度L＝桁架圆杆的杆长/cosα，宽度b＝2πR×cosα，R为单层半径，α为缠绕或铺层角度；
步骤S4、在桁架圆杆缠绕成型工装上按照铺层顺序缠绕预浸带
步骤S41、设定布带缠绕机的缠绕张力，将裁剪完成的预浸带穿过张力系统，手动引到桁架圆杆缠绕成型工装的起端，用高温胶带固定；
步骤S42、设定布带缠绕机的主轴缠绕角度；
步骤S43、启动布带缠绕机；
步骤S44、一层缠绕结束后，尾端手动剪断，并固定尾端，即完成角度层的缠绕工作；缠绕时，0°层和角度层交替进行，完成设计要求的层数，其中0°层的铺放，是通过人工对齐起端，采用激光线调正轴向边缘，启动布带缠绕机，设定低速运转，完成0°层的铺放；
步骤S5、进行表面封装
步骤S51、在缠绕完成的未固化产品表面缠绕一层收缩膜，两端用压敏胶带固定；
步骤S52、在收缩膜表面缠绕两层压敏胶带，两端用高温密封胶条进行密封后，两端再用压敏胶带进行二次密封和包裹；
步骤S6、入炉进行中温固化
将表面封装完成的整体结构放入热压罐内，在未固化产品的边缘位置粘贴热电偶，关闭热压罐门，加压；按照中温体系的氰酸酯树脂的固化制度进行固化；
步骤S7、出炉并进行脱模
步骤S71、当炉内温度不高于环境温度时打开炉门，进行出炉的操作，得到桁架圆杆缠绕成型工装和其上的固化产品；
步骤S72、对固化产品尾端进行初次加工；
步骤S73、将脱模环的环面置于固化产品尾端的端面上，把桁架圆杆缠绕成型工装和固化产品安放到脱模机内，启动，脱模机转动并拉拽芯轴，同时脱模环将固化产品固定在原位置，完成脱芯模的操作，得到脱模产品；
步骤S74、运转脱模产品至成型区，按照顺序，去除封装材料，得到初产品；
步骤S8、对初产品进行端面的细加工
钳工按照图纸要求，进行端面切除，端面平行度研磨工作，得到终产品，即桁架圆杆。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料低膨胀桁架圆杆的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述芯轴为变截面的阶梯轴，表面电镀Cr，芯轴前后两端直径小于中间的有效长度段，变截面的长度大于150mm；所述脱模环为圆环截面，脱模环的厚度为25mm，脱模环内径大于桁架圆杆的内径。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料低膨胀桁架圆杆的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述预浸料的增强纤维为东丽T800HB碳纤维和东丽M55JB碳纤维，预浸料的树脂基体为氰酸酯树脂体系的中温固化体系，预浸料厚度为0.1mm。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料低膨胀桁架圆杆的制备方法，其特征在于：步骤S3中，缠绕角度为0°、71°；桁架圆杆的杆长为1.2m-2.6m，桁架圆杆的内径为43.2mm-80mm。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料低膨胀桁架圆杆的制备方法，其特征在于：步骤S4中，所述铺层顺序为[0/+71/0/-71/0]ns，0°层为高模预浸料，角度层为高强预浸料。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料低膨胀桁架圆杆的制备方法，其特征在于：步骤S5中，所述收缩膜为中温PE收缩膜，前进量为0.5mm-1.5mm；所述压敏胶带为耐高温压敏胶带，两层压敏胶带，需要搭接2mm；所述高温密封胶条能够耐200℃高温，高温密封胶条的密封长度要求端面为中点，前后长度为100mm。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料低膨胀桁架圆杆的制备方法，其特征在于：步骤S6中，所述表面封装完成的整体结构竖直放入热压罐内，在关闭热压罐门后，随即进行加压操作，加压压力为0.3MPa-0.5MPa；所述氰酸酯树脂的固化制度为：固化温度110℃-135℃，固化时间2h-4h。
8.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料低膨胀桁架圆杆的制备方法，其特征在于：步骤S7中，在炉内温度不高于环境温度5℃时打开炉门，进行出炉的操作；对固化产品尾端进行初次加工时，其端面平行度小于0.15；去除封装材料的顺序为：去除端面高温密封胶条、去除压敏胶带、去除收缩膜。
9.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料低膨胀桁架圆杆的制备方法，其特征在于：步骤S8中，在进行端面细加工时，要求端面的平行度小于0.1。
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