复合材料天线碳纤维辐射梁一体成型的方法及成型模具
阅读说明：本技术 复合材料天线碳纤维辐射梁一体成型的方法及成型模具 (Method and mold for integrally molding composite material antenna carbon fiber radiation beam ) 是由 王磊 管稳定 文佳 符伟 刘德礼 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种复合材料天线碳纤维辐射梁一体成型的方法及成型模具,成型模具包括外模和位于外模内的芯模,芯模包括聚苯乙烯泡沫芯轴和包覆于聚苯乙烯泡沫芯轴外表面的乳胶气囊；外模包括下模、上模,乳胶气囊上一体成型的气囊导管上可拆卸连接有连通气嘴；方法包括以下步骤：1)准备上述成型模具；2)在芯模上铺贴碳纤维预浸料,得到碳纤维辐射梁预成型体；3)合模；4)在热压罐内阶梯升温并进行脉冲吹气,固化成型,降温出罐；5)脱模,向乳胶气囊内灌入溶剂,溶解后,抽取出乳胶气囊,再经机加工、打磨、涂装。本发明辐射梁采用碳纤维材料一体成型,制备得到的碳纤维辐射梁中间保持空心、壁厚均匀。(The invention provides a method for integrally forming a composite material antenna carbon fiber radiation beam and a forming die, wherein the forming die comprises an outer die and a core die positioned in the outer die, and the core die comprises a polystyrene foam core shaft and a latex air bag coated on the outer surface of the polystyrene foam core shaft; the outer mold comprises a lower mold and an upper mold, and a communicating air nozzle is detachably connected to an air bag conduit integrally formed on the latex air bag; the method comprises the following steps: 1) preparing the forming die; 2) paving and pasting carbon fiber prepreg on the core mold to obtain a carbon fiber radiation beam preformed body; 3) closing the mold; 4) heating in a hot pressing tank in a stepped manner, performing pulse blowing, curing and forming, cooling and discharging; 5) demoulding, pouring solvent into the latex air bag, dissolving, extracting the latex air bag, machining, polishing and coating. The radiation beam is integrally formed by adopting the carbon fiber material, and the prepared carbon fiber radiation beam keeps hollow in the middle and uniform in wall thickness.)
技术领域
本发明属于辐射梁技术领域，具体涉及一种复合材料天线碳纤维辐射梁一体成型的方法及成型模具。
背景技术
辐射梁是天线反射面的主要支撑部件，主要应用于各种天线结构，主要作用是反射电磁波。目前传统辐射梁主要采用T型钢、角钢、钢管等型材焊接、胶接而成，由于是全钢结构、单体重量大，而且耐腐蚀性差。传统辐射梁组装于天线反射体后增加了天线的整体重量，也不利于对其进行便携准确的驱动，焊接强度不高，尺寸精度不高，因此减轻辐射梁的重量是整个天线产品的重中之重。
申请号为201310525888.6的专利公开了一种碳纤维天线辐射梁及其制造方法，采用碳纤维圆管代替传统的型钢作为梁架，碳纤维圆管对接处采用钢接头进行胶粘连接。该碳纤维天线辐射梁改变了传统天线辐射梁钢制结构，采用碳纤维材料作为主要材料，并用胶粘的技术进行制造，大大减轻辐射梁重量，强度大，刚性好，而且工艺简单，克服了传统天线辐射梁的诸多不足。但是上述碳纤维天线辐射梁的碳纤维圆管需要采用钢接头对接，在使用过程中若接头松动或损坏，均会影响产品的稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种复合材料天线碳纤维辐射梁一体成型的方法及成型模具。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种用于复合材料天线碳纤维辐射梁一体成型的成型模具，所述成型模具包括外模和位于外模内的芯模，所述芯模包括聚苯乙烯泡沫芯轴和包覆于聚苯乙烯泡沫芯轴外表面的乳胶气囊；所述外模包括下模、上模，所述乳胶气囊上一体成型有气囊导管，所述气囊导管上可拆卸连接有连通气嘴。
优选的，所述下模、上模通过锁紧螺钉连接，所述连通气嘴位于上模、下模的连接处之间。
作为一个总的发明构思，本发明提供了一种复合材料天线碳纤维辐射梁一体成型的方法，包括以下步骤：
1)准备上述成型模具；
2)在所述芯模上铺贴碳纤维预浸料，得到碳纤维辐射梁预成型体；
3)向所述下模内放置所述碳纤维辐射梁预成型体，再将上模配合下模进行合模；
4)将合模后的模具转移至热压罐，将热压罐的接头与乳胶气囊上的连通气嘴连接，在热压罐内阶梯升温并进行脉冲吹气，待碳纤维辐射梁固化成型后，降温出罐；
5)脱模，向所得碳纤维辐射梁中的乳胶气囊内灌入溶剂(丙酮、丁酮等)，将聚苯乙烯泡沫芯轴溶解后，抽取出乳胶气囊，再经机加工、打磨、涂装后，即得。
优选的，所述聚苯乙烯泡沫芯轴的制造方法如下：在聚苯乙烯泡沫成型模具内通过高温进行聚苯乙烯泡沫发泡，制造聚苯乙烯泡沫芯轴；
所述乳胶气囊的制造方法如下：将聚苯乙烯泡沫芯轴表面打磨粗化，并清洁干净后，浸泡在凝固剂中1～3min后取出，再浸泡到乳胶液中1～3min后取出，常温固化成型，使聚苯乙烯泡沫芯轴外形成乳胶气囊，且所述乳胶气囊一体成型有气囊导管；
所述外模的制造方法如下：在数控加工中心上先进行粗加工，然后精铣，去除毛刺，保证装配间隙≤0.1mm，制造得到外模。
优选的，所述步骤2)中，所述碳纤维预浸料由内至外包括碳纤维/环氧树脂织物预浸料、多层碳纤维/环氧树脂单向预浸料、碳纤维/环氧树脂织物预浸料，其中，所述碳纤维为T300、T700、T800级碳纤维中的一种或几种，所述环氧树脂为中温固化环氧树脂、高温固化环氧树脂中的一种。
优选的，所述步骤2)具体包括以下步骤：在所述芯模上包裹一层高温保鲜膜，然后在所述芯模上依次铺贴一层碳纤维/环氧树脂织物预浸料、多层碳纤维/环氧树脂单向预浸料、一层碳纤维/环氧树脂织物预浸料，得到碳纤维辐射梁预成型体；碳纤维/环氧树脂预浸料的铺层角度、铺层顺序和铺层层数为根据力学仿真得出的较优结果；
其中，铺贴完第一层预浸料以及后面每铺贴完3～5层预浸料后，抽真空预压实，真空度不低于-0.085MPa，抽真空时间不低于5min；
在预浸料铺贴至倒数第4层开始，每铺贴一层预浸料，测量碳纤维辐射梁预成型体外径，在理论值的公差±2mm以内。
优选的，所述步骤2)中，所述碳纤维辐射梁预成型体上预留有多个用于抽取出乳胶气囊的乳胶气囊抽取口。
优选的，在所述步骤4)中，所述在热压罐内阶梯升温并脉冲吹气具体包括以下步骤：
A、连通气嘴提供2～4kg/cm2低压，热压罐内以不高于3℃/min的升温速率加温至75～95℃时，连通气嘴提供10～12kg/cm2高压，并在1min内降至2～4kg/cm2低压；
B、热压罐以不高于3℃/min的升温速率升温，当温度达到预浸料中环氧树脂的凝胶点温度时，连通气嘴提供10～12kg/cm2高压，当温度达到预浸料中环氧树脂的固化温度时，保温保压20～60min；
C、热压罐以不高于3℃/min的降温速率降温至60℃以下，关闭连通气嘴风压，出罐。
本发明采用上述阶梯升温并脉冲吹气的工艺，可有效提升碳纤维辐射梁内部和外部的质量。
优选的，所述步骤2)还包括，在碳纤维辐射梁与天线和中心筒的连接位置预埋铝合金预埋件。
优选的，所述步骤3)中，在向下模内放置碳纤维辐射梁预成型体前，先在外模的上模、下模的R角位置铺贴一层碳纤维/环氧树脂织物预浸料，再放置卷制的碳纤维/环氧树脂单向预浸料捻子条；
所述步骤5)中，机加工具体包括以下步骤：以机加工装的基准孔作为机加基准，机加碳纤维辐射梁上与反射面和中心筒的装配面和装配孔，在装配孔内安装钢丝螺套；所述打磨具体包括以下步骤：使用100～150#砂纸沿一个方向将碳纤维辐射梁打磨一遍，然后沿与第一次打磨方向垂直的方向将碳纤维辐射梁打磨一遍。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明采用包括聚苯乙烯泡沫(EPS)芯轴和乳胶气囊的芯模，在芯模上铺贴碳纤维/环氧树脂预浸料、再合模，阶梯升温并脉冲吹气固化成型，通过此工艺方法来实现碳纤维辐射梁一体式生产。本发明利用吹胀工艺方法，辐射梁采用碳纤维材料一体成型，制备得到的碳纤维辐射梁中间保持空心、壁厚均匀。表面质量参照HB7224-1995《复合材料构件通用技术条件》，贴膜面光滑平整，无明显褶皱、凹坑和凸起，用超声波检测仪按照GJB1038.1A-2004《纤维增强复合材料无损检测方法》进行无损检测，达到B级及以上要求。
2、本发明改变了传统辐射梁钢制结构，而传统工艺中即使是碳纤维结构也无法做到一体成型，本发明的优势在于取代了钢结构、同时又不需要管对管通过接头胶接连接，具有整体重量轻、强度高、刚性好、耐腐蚀、工艺简单等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明复合材料天线碳纤维辐射梁一体成型模具的爆炸结构示意图；
图2是本发明芯模的剖视图；
图3是本发明制备得到的碳纤维辐射梁的结构示意图；
图例说明：
11、碳纤维辐射梁主体；12、碳纤维辐射梁盖板；13、铝合金预埋件；14、钢丝螺套；21、下模；22、上模；23、芯模；231、乳胶气囊；232、聚苯乙烯泡沫芯轴；24、连通气嘴；25、锁紧螺钉；26、下模导柱；27、吊环螺钉；28、上模衬套；29、顶出块。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种用于复合材料天线碳纤维辐射梁一体成型的成型模具，如图1和图2所示，该成型模具包括外模和位于外模内的芯模23，芯模23包括聚苯乙烯泡沫芯轴232和包覆于聚苯乙烯泡沫芯轴232外表面的乳胶气囊231；外模包括下模21、上模22，乳胶气囊231上一体成型有气囊导管，气囊导管上可拆卸连接有连通气嘴24(图1中为分开设置，使用时再连接)，具体的，可将气囊导管与连通气嘴24套接，然后再通过螺母锁紧。
本实施例中，下模21、上模22通过锁紧螺钉25连接，连通气嘴24位于上模22、下模21的连接处并与上模22、下模21锁紧连接，即上模22、下模21与连通气嘴24的连接处设置有相匹配的开口，上模22、下模21合模后，将连通气嘴24卡紧。
本实施例中，外模的分型面为辐射梁的中间横截面；乳胶气囊231的外形尺寸为碳纤维辐射梁的外形尺寸单边减去碳纤维辐射梁的4/3～5/4壁厚尺寸，聚苯乙烯泡沫芯轴232的外形尺寸为乳胶气囊231的外形尺寸减去乳胶气囊231的壁厚尺寸。
本实施例的成型模具中，上模22、下模21上均设置有顶出块29和吊环螺钉27，下模21上设置有下模导柱26、溢胶槽和排气槽，上模22上设置有与下模导柱24相匹配的上模衬套28(图1中上模衬套28与上模22处于拆卸状态)。
实施例2：
一种复合材料天线碳纤维辐射梁一体成型的方法，具体包括以下步骤：
(1)模具的设计与制造：分别设计和制造碳纤维辐射梁成型的外模和芯模23，外模机加制造，芯模23通过模具成型制造，具体包括以具体步骤：
A、外模的设计：根据辐射梁图纸和技术要求设计碳纤维辐射梁成型的外模，分型面为辐射梁中间横截面；
B、芯模的设计：芯模23包括乳胶气囊231和位于乳胶气囊231内的聚苯乙烯泡沫芯轴232，乳胶气囊231外形尺寸为碳纤维辐射梁外形尺寸单边减去碳纤维辐射梁4/3壁厚尺寸，聚苯乙烯泡沫芯轴232外形尺寸为乳胶气囊231外形尺寸减去乳胶气囊231壁厚(0.8～1.2mm)尺寸；
C、聚苯乙烯泡沫芯轴的制造：在EPS成型模具内通过高温进行EPS发泡，制造聚苯乙烯泡沫芯轴232；
D、乳胶气囊的制造：将聚苯乙烯泡沫芯轴232表面打磨粗化，并清洁干净后，浸泡在凝固剂(B液)中1～3min后取出，再浸泡到到乳胶液(A液)中1～3min后取出，常温固化成型，使聚苯乙烯泡沫芯轴232外形成乳胶气囊231；乳胶气囊231上一体成型有气囊导管，乳胶气囊231通过气囊导管与连通气嘴24连接。
E、外模的制造：在数控加工中心上先进行粗加工，然后精铣，去除毛刺，保证装配间隙≤0.1mm。
(2)铺层制造分析、下料：通过CATIA的CPD模块对碳纤维辐射梁三维数模进行铺层制造分析，在CATIA的CPD模块进行展开放样，并在AutoCAD中优化排料，使用自动下料机对碳纤维/环氧树脂预浸料进行下料，并进行编号分组。
(3)预浸料铺层：在芯模上包裹一层高温保鲜膜，然后依次铺贴一层T300碳纤维/中温固化环氧树脂织物预浸料、多层T700碳纤维/中温固化环氧树脂单向预浸料、一层T300碳纤维/中温固化环氧树脂织物预浸料，铺贴完第一层预浸料以及后面每铺贴完3～5层预浸料后抽真空预压实，真空度不低于-0.085MPa，抽真空时间不低于5min，在预浸料铺贴至倒数第4层开始，每铺贴一层预浸料，测量碳纤维辐射梁预成型体外径，在理论值的公差±2mm以内，得到碳纤维辐射梁预成型体。
铺层时，在碳纤维碳辐射梁与天线和中心筒的连接位置预埋铝合金预埋件13，并在碳纤维辐射梁预成型体上预留多个乳胶气囊抽取口，以便于后续抽取乳胶气囊231。
(4)合模：先在外模的上模22、下模21的R角位置铺贴一层碳纤维/环氧树脂织物预浸料，再放置卷制的碳纤维/环氧树脂单向预浸料捻子条，然后在下模21放置碳纤维辐射梁预成型体，将上模22配合下模21合模，锁紧上模22、下模21之间的锁紧螺钉25，并使连通气嘴24锁紧。
(5)高温高压固化成型：将合模后的模具转移至热压罐，将热压罐接头与辐射梁成型模具的连通气嘴24连接，在热压罐内阶梯升温并脉冲吹气(依次通过连通气嘴24、气囊导管向乳胶气囊231内脉冲吹气)，具体包括以下步骤：
A、连通气嘴24提供2～4kg/cm2低压，热压罐内以不高于3℃/min的升温速率加温至80±5℃温度时，连通气嘴24提供10～12kg/cm2高压，并在1min内降至2～4kg/cm2低压(脉冲)；
B、热压罐以不高于3℃/min的升温速率加温至130±5℃，当温度达到105±5℃(中温固化环氧树脂的凝胶点温度)时，连通气嘴24提供10～12kg/cm2高压，当温度达到130±5℃(中温固化环氧树脂的固化温度)时，保温保压30～60min；
C、热压罐以不高于3℃/min的降温速率降温至60℃以下，关闭气嘴风压，出罐。
(6)脱模、取出芯模：依次拆卸锁紧螺钉25，启开上模22，通过顶出块29顶出已固化的碳纤维辐射梁，将连通气嘴24从气囊导管上拆卸下来，再通过气囊导管向乳胶气囊231内灌入溶剂丙酮，丙酮将聚苯乙烯泡沫芯轴232溶解后，再通过碳纤维辐射梁预留的多个乳胶气囊抽取口将乳胶气囊231抽取出来，具体抽取时先从一个乳胶气囊抽取口抽取，乳胶气囊断裂后再从其它乳胶气囊抽取口抽取。
(7)机加工：以机加工装的基准孔作为机加基准，机加碳纤维辐射梁上与反射面和中心筒的装配面和装配孔，在装配孔内安装钢丝螺套。
(8)打磨、涂装：使用100～150#砂纸沿一个方向将碳纤维辐射梁打磨一遍，然后沿与第一次打磨方向垂直的方向将碳纤维辐射梁打磨一遍，保证碳纤维辐射梁外表面打磨至表面暗淡无光泽，若碳纤维辐射梁表面存在针孔或贫胶，需要使用透明原子灰进行封孔处理，最后喷涂技术要求规定的油漆。
实施例3：
一种复合材料天线碳纤维辐射梁一体成型方法，与实施例2不同的是步骤(3)和步骤(5)具体为：
(3)碳纤维预浸料铺层：在芯模23上包裹一层高温保鲜膜，然后依次铺贴一层T300碳纤维/高温固化环氧树脂织物预浸料、多层T700碳纤维/高温固化环氧树脂单向预浸料、一层T300碳纤维/高温固化环氧树脂织物预浸料，在碳纤维辐射梁与天线和中心筒的连接位置预埋铝合金预埋件13，铺贴完第一层预浸料以及后面每铺贴完3～5层预浸料后抽真空预压实，真空度不低于-0.085MPa，抽真空时间不低于5min，在预浸料铺贴至倒数第4层开始，每铺贴一层预浸料，测量碳纤维辐射梁预成型体外径，在理论值的公差±2mm以内，得到碳纤维辐射梁预成型体；
(5)高温高压固化成型：将合模后的模具转移至热压罐，将热压罐接头与辐射梁成型模具的连通气嘴24连接，在热压罐内阶梯升温并脉冲吹气，具体包括以下步骤：
A、连通气嘴24提供2～4kg/cm2低压，热压罐内以不高于3℃/min的升温速率加温至90±5℃温度时，连通气嘴24提供10～12kg/cm2高压，并在1min内降至2～4kg/cm2低压(脉冲)；
B、热压罐以不高于3℃/min的升温速率升温至150±5℃，当温度达到120±5℃(高温固化环氧树脂的凝胶点温度)时，连通气嘴24提供10～12kg/cm2高压，当温度达到150±5℃(高温固化环氧树脂的固化温度)时，保温保压20～30min；
C、热压罐以不高于3℃/min的降温速率降温至60℃以下，关闭气嘴风压，出罐；
其余步骤(1)、(2)、(4)、(6)、(7)、(8)均与实施例2相同。
由本发明实施例2和3中最终制备得到的碳纤维辐射梁如图3所示，包括碳纤维辐射梁主体11、碳纤维辐射梁盖板12、铝合金预埋件13以及铝合金预埋件13上安装的钢丝螺套14，碳纤维辐射梁盖板12用于将碳纤维辐射梁预留的乳胶气囊抽取口进行封闭，碳纤维辐射梁主体11与碳纤维辐射梁盖板12通过胶接连接。
由本发明实施例2和3中最终制备得到的碳纤维辐射梁表面质量参照HB7224-1995《复合材料构件通用技术条件》，贴膜面光滑平整，无明显褶皱、凹坑和凸起，用超声波检测仪按照GJB1038.1A-2004《纤维增强复合材料无损检测方法》进行无损检测，达到B级及以上要求。
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