[发明专利]飞机及航空器的碳纤维复合材料壳体的制备模具及其成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞机及航空器的碳纤维复合材料壳体的制备模具及其成形方法，属于缠绕碳纤维复合材料制造领域。

背景技术

随着飞机及航空器技术的日趋发展，为了满足其对射程、速度及机动性的精度要求，对其构件的结构尺寸和质量要求越来越高。目前，轻型化成为飞机及航空器发展的一个重要趋势，努力开展先进复合材料的研究和应用工作，成为飞机及航空器轻型化的重要手段之一。与其它材料相比，纤维增强高分子复合材料因具有很高的比强度、比模量，而成为飞机及航空器壳体轻型化的重要途径之一。

现有飞机及航空器壳体所采用的材料比较落后，仍大量采用铝合金、钢等常规材料，与先进的复合材料相比，铝合金、钢等的比强度、比模量偏低。例如碳纤维复合材料的比强度、比模量是铝合金、钢的6～8倍。采用比强度、比模量低的材料制造飞机及航空器的壳体，必然会增大其结构尺寸和重量，它会降低飞机及航空器的机动性，并且需要更大的推力或使其射程减小。

现有树脂基复合材料成型的工艺方法有：手糊成型、真空袋压法成型、压力袋成型、树脂注射和树脂传递成型、真空辅助树脂注射成型、夹层结构成型、模压成型、注射成型、挤出成型、纤维缠绕成型、拉挤成型、连续板材成型、层压成型、卷制成型、热冲压成型和离心浇铸成型等。复合材料壳体的制造，由于对其性能和形状有相关的要求，宜采用连续纤维缠绕成型。

连续纤维缠绕成型的复合材料制品除了具有一般纤维增强塑料制品的优点外，更具有其独特的优点：

1、比强度高：

连续纤维缠绕成型的复合材料的比强度3倍于钛，4倍于钢材，这使其在航空航天领域得以成功的应用。如美国阿特拉斯飞机及航空器的壳体原采用铝合金，重79t，改用连续纤维缠绕成型的复合材料后，重仅59t，减重约25％。采用连续纤维缠绕成型的复合材料的直径很小，这降低了微裂纹的存在程度，由于缠绕使用的增强材料是无捻粗纱，没有经过纺织和合股等工序，避免了纤维强度的损失；连续纤维缠绕成型结构还是最合理的复合材料结构，它避免了增强材料织物经纬交叉造成的应力集中，也避免了短切纤维段头的应力集中，具有更强的可设计性；采用连续纤维缠绕成型方式，可以控制缠绕纤维的方向和数量，实现产品等强度；连续纤维缠绕成型的复合材料中增强材料的含量高，可达到80％。

2、可靠性高：

材料固有的韧性或缺口敏感性会限制材料的可靠性，金属材料的韧性随其强度的提高而降低，对其进行减重和改善可靠性的实施存在相互矛盾的缺陷，而在连续纤维缠绕成型的复合材料中，这一矛盾基本解决。

3、生产效率高：

采用连续纤维缠绕成型方式来制造复合材料，机械化程度高，并且随着控制系统的不断进步、缠绕设备的不断更新，其缠绕的生产效率不断提高，并且产品质量更加稳定。

飞机及航空器壳体内部由于需要装备一些应用设备，在壳体上需设置很多工艺孔，现有采用连续纤维缠绕成型的飞机及航空器壳体，都是在壳体成型后再对其进行开口的，这种方式会造成纤维的断裂，从而影响复合材料壳体的性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有采用连续纤维缠绕成型的飞机及航空器壳体，在成型后又在其上开出工艺孔，会使纤维断裂而影响壳体性能的问题，提供一种飞机及航空器的碳纤维复合材料壳体的制备模具及其成形方法。

本发明一种飞机及航空器的碳纤维复合材料壳体的制备模具，它由模芯、内模、外模、上盖板、下盖板和轴组成，

模芯具有圆台式外表面，并为中空结构，内模套在模芯的外表面的侧面上，并紧密固定，内模的外环表面上具有多个环形卡槽，所述多个环形卡槽相互平行，且均与模芯的底面相平行，

内模外设置有外模，外模与内模同轴，加压套具有圆台式侧壁，上端面为向内突出的圆环，下端面为向外突出的圆环，加压套套在外模的外表面上，且其内表面与所述外模的外表面紧密接触，

上盖板为带有中心孔的圆盘，罩在模芯与内模的上端，并且其侧壁与外模的内壁紧密接触，加压套的上端面与上盖板和模芯通过连接件固定连接，加压套的外侧壁上均匀分布12个纵向肋板；

下盖板为带有中心孔的圆盘，并且上表面具有环形内卡槽和环形外卡槽，外模的底端和加压套的底端嵌入所述环形外卡槽内，模芯的底端和内模的底端嵌入所述环形内卡槽内，加压套的下端面和模芯的下端面与下盖板固定连接；

外模、上盖板、下盖板和内模之间的空间为成形空间；

轴穿过上盖板和下盖板的中心孔，轴的上端的侧壁上具有环形台肩，环形台肩与上盖板固定连接。

采用上述装置实现的飞机及航空器的碳纤维复合材料壳体的成形方法，它包括以下步骤：