碳纤维卫星波纹壳的制造工艺

  高刚度、高强度和轻量化,是对空间飞行器的基本要求。随着空间技术的发展,促使空间飞行器的结构在不断更新,从而促进了新材料的应用和制造技术的发展。对卫星中心承力筒结构的选择、新材料的应用和制造工艺技术等进行了系统的研究和试验。并用碳/环氧树脂复合材料制成梯形波纹件,用来组装梯形被纹壳。该壳体与国外某公司同类波纹壳相比,轴向临界应力提高19%,压缩弹性模量提高26%;与国内用TA3钛合金制成的波纹壳相比、在等质量下承载能力提高90%。

  梯形波纹壳结构由上框、下框、梯形波纹蒙皮和加强件组成。根据波纹壳强度和刚度要求之差异,选用高模量碳纤维作为增强材料,上端框、下端框、双峰波纹筒体、隔框和支撑件作为一个整体,通过共固化制成。

  共固化法既区别于传统金属材料的加工工艺,又有别于“分体成型,组装连接”法。它是把制备复合材料的过程和制造复合材料制品的过程融为一体,适于制造形状较为复杂的复合材料部件。但这种工艺对制品的工艺特性、参与共固化的预制件及其工艺。以及共固化模具都有特殊的要求。

  共固化制品的工艺特性要求制品构形应能实现工艺性分解;共固化时其各部分均能实现加压;经工艺性分解而削弱的部分或各结构单元均能实现结构补强;制品各面的变化应有一定的规律,尽量减少凸出或凹陷;应尽量避免难以施工的细长型封闭腔。

  对参与共固化预制件的要求考虑到辅料的耐热性,应尽量选用固化温度偏低的树脂,各预制件应尽量采用同一树脂;根据制品构形不同可选用无纬布预浸料、织物预浸料来预制坯件;预制件纤维取向应符合制品图纸要求,其形状与尺寸应以不影响共固化质量为准,不宜要求过高或没有要求;在进行工艺组合之前既可对预制件进行预处理,也可不经预处理。需根据工艺可行性决定。其本身的增强纤维应尽量连续,如需切断,应予以补强;存放时应严格控制贮存条件,不得污染。

  用于共固化的模具一般较复杂,设计时除应满足普通复合材料制品成型模具的一般要求外,还应满足如下要求:依据制品关键尺寸来确定模具相关尺寸,并选择较合理的结构形式;模具结构应具有良好的加工工艺性,有利于制品在固化过程中温度分布均匀;模具应保证对制品备面加压均匀,有统一的成型基准,保证各预制件组合及固化后的尺寸。另外,模具各定位件应不因搬运或其它原因而使模具本身的尺寸发生变化,且要正确确定模具分型面,使制品固化后能顺利脱摸;模具装卸应方便。

  通过设计、制造和试验表明,采用碳/环氧树脂复合材料制成的双峰波纹壳比铝合金波纹壳质量减轻54%。在确定的材料下,应根据碳/环氧树脂复合材料波纹壳结构的特殊性,选取不同的工艺方法制造。对于较复杂的结构。在有限的结构范围内采用共固化工艺,可提高结构的整体性和质量。实践证明,形状复杂的大尺寸复合材料构件,只要采用的工艺方法和工艺路线适当,同样可使制品壁厚偏差、含胶量偏差和制品间质量之差控制在允许的范围内。

 

  阅读延伸:《碳纤维雷达波纹板的制造工艺