[发明专利]金属与复合材料飞轮的共固化成型的制备工艺

说明书

一种金属与复合材料飞轮的共固化成型的制备工艺，通过将金属与复合材料共固化飞轮划分为五个区域并在成型模具相应区域分别根据各自铺层方式进行单向预浸料铺层且将环形预制体包裹，铺层完成后与金属轮缘扣合并经固化成型得到金属与复合材料飞轮。本发明能够满足飞轮对转动惯量误差、动平衡质量及高速旋转稳定性的要求。

技术领域

本发明涉及的是一种复合材料处理领域的技术，具体是一种金属与复合材料飞轮的共固化成型的制备工艺。

背景技术

近年来，国外对卫星飞轮的研究主要集中在飞轮储能与姿控功能的集成方面，成功开发出了多种储能、姿控一体化飞轮；利用复合材料具有较大拉伸强度的特点，将CFRP材料通过缠绕法制成轮缘，大大提高了轮体的极限转速，使得飞轮的储能密度大为提高；同时，由于实现储能、姿控一体化，节约了大量星体空间和质量。

现有的复合材料和金属组合结构的飞轮中的复合材料作为轮辐起减重作用，外侧金属轮缘为机装可更换式。但由于不锈钢轮缘与碳纤维复合材料轮辐之间采用螺钉连接，连接可靠性差，动平衡性不足，特别是在高低温循环试验之后动平衡出现较大偏离。

现有的铝合金轮毂+碳纤维复合材料轮辐+不锈钢轮缘的改进结构中采用金属-复合材料全包式构型。虽然其轮缘与轮辐采用热紧配－胶接的混合连接模式，没有任何连接螺钉。但金属-复合材料胶接质量较差，肉眼可见的结构和表面质量不高，高低温试验之后动平衡发生了一定程度的漂移。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种金属与复合材料飞轮的共固化成型的制备工艺，能够满足飞轮对转动惯量误差、动平衡质量及高速旋转稳定性的要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明通过将金属与复合材料共固化飞轮划分为五个区域并在成型模具相应区域分别根据各自铺层方式进行单向预浸料铺层且将环形预制体包裹，铺层完成后与金属轮缘扣合并经固化成型得到金属与复合材料飞轮。

所述的成型模具是指金属-复合材料共固化飞轮成型模具方案，具体采用硅胶软模辅助+金属组合模具的结构形式，其中的金属模具包含：作为阴模的上瓣成型模具、作为阳模的下瓣成型模具。

所述的成型模具优选采用45号钢制成。

所述的五个区域是指：飞轮辐条泡沫区域、飞轮轮毂区域、飞轮辐条下蒙皮区域、飞轮辐条上蒙皮区域和飞轮轮缘区域。

所述的飞轮辐条泡沫区域、飞轮轮毂区域、飞轮辐条下蒙皮区域和飞轮轮缘区域采用各自对应的铺层方式进行单向预浸料铺层，不同区域之间需要进行交叉铺层以保证连接刚度与强度。

所述的飞轮辐条上蒙皮区域采用预制体单向预浸料包裹，当铺至接近泡沫的时候，贴近泡沫的层采用±45°铺层，然后将泡沫填入飞轮辐条泡沫区域中，然后再对飞轮辐条上蒙皮区域进行单向预浸料的铺覆，铺层延续至飞轮轮缘区域上。

所述的硅橡胶模，根据设计飞轮的数模要求选用R10301硅橡胶制备得到。

所述的硅橡胶模，通过以下方式制备得到：首先将硅胶和固化剂组分混合后，室温下固化24h；固化完成后将硅橡胶模坯放入烘箱中进行热处理，热处理温度为150℃，保温6h。要求制完成的硅橡胶模的邵氏硬度为30～40，线膨胀系数为2.5～2.8×10^-4/K。

所述的轮毂预制体，通过以下方式制备得到：预先制备轮毂处环形预制体，铺层厚度20mm，铺制完成后包覆吸胶并预压实，然后对预制体表面进行清理、修边，并测量厚度，对局部厚度偏差较大的区域进行修补得到。

所述的固化成型是指：通过压力罐施加0.2MPa压力，温度保持在160℃，保温4小时。

所述的复合材料为M40JB/602热熔法预浸料。