具有吸波隐身及密封防水功能的复合材料罩体及其制备方法
阅读说明：本技术 具有吸波隐身及密封防水功能的复合材料罩体及其制备方法 (Composite material cover body with wave-absorbing stealth and sealing waterproof functions and preparation method thereof ) 是由 尹亮 黄玉东 崔超 钟正祥 刘丽 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有吸波隐身及密封防水功能的复合材料罩体及其制备方法,所述复合材料罩体为半圆环形状,由吸波隐身功能外蒙皮、泡沫芯层和玻璃钢内蒙皮构成,其中：所述吸波隐身功能外蒙皮包括面层、吸波层、间隔层、屏蔽层和基层；所述泡沫芯层由聚氨酯泡沫构成；所述玻璃钢内蒙皮由玻璃纤维预浸料固化成型。本发明的复合材料罩体采用外形反射+多层级吸波+信号屏蔽的方法实现隐身功能,采用树脂真空导入工艺成型复杂型面、具有精准层间距的外蒙皮,使用低温固化环氧玻璃纤维预浸料结合OOA工艺成型内蒙皮,实现复合材料罩体高精度、高质量、低成本制造。(The invention discloses a composite material cover body with wave-absorbing stealth and sealing waterproof functions and a preparation method thereof, wherein the composite material cover body is in a semi-circular ring shape and comprises an outer cover with the wave-absorbing stealth function, a foam core layer and a glass fiber reinforced plastic inner cover, wherein: the wave-absorbing stealthy functional outer skin comprises a surface layer, a wave-absorbing layer, a spacing layer, a shielding layer and a base layer; the foam core layer is composed of polyurethane foam; the glass fiber reinforced plastic inner skin is formed by curing glass fiber prepreg. The composite material cover body realizes the stealth function by adopting a method of shape reflection, multi-level wave absorption and signal shielding, adopts a resin vacuum introduction process to form an outer skin with a complex profile and accurate interlayer spacing, and uses a low-temperature cured epoxy glass fiber prepreg combined with an OOA process to form an inner skin, so that the composite material cover body is manufactured with high precision, high quality and low cost.)
技术领域
本发明属于复合材料结构功能一体化成型工艺技术领域，涉及一种具有吸波隐身及密封防水功能的复合材料罩体及其制备方法。
背景技术
在军用雷达技术不断发展的今天，反雷达侦破的雷达吸波材料也获得了空前的发展。泡沫夹芯型吸波材料不但在较宽频带内对电磁波具有高的吸收率，同时还具有质量轻、耐高温、耐湿热、抗腐蚀等特点。
航天领域，针对复合材料次级结构件，采用热炉固化、真空袋压预浸料即脱离热压罐的预浸料工艺(OOA工艺)，以其相对于传统的热压罐预浸料工艺更加灵活、成型更快以及更加经济等优势显示出了极好的应用前景。但考虑到部件的性能及成型内部质量，对预浸料也提出了更高的要求，同时传统的预浸料固化温度多集中在95～130℃甚至更高，在二次固化成型时，会导致部件变形，影响尺寸精度。因此，低温固化预浸料的研制，不仅满足航天领域实际应用需求，也对于高质量部件的成型具有重要意义。
对OOA工艺的兴趣也促进了树脂传递模塑(RTM)、真空辅助树脂传递模塑(VARTM)和其他树脂成型工艺的使用。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种具有吸波隐身及密封防水功能的复合材料罩体及其制备方法。本发明的复合材料罩体采用外形反射+多层级吸波+信号屏蔽的方法实现隐身功能，采用树脂真空导入工艺成型复杂型面、具有精准层间距的外蒙皮，使用低温固化环氧玻璃纤维预浸料结合OOA工艺成型内蒙皮，实现复合材料罩体高精度、高质量、低成本制造。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种具有吸波隐身及密封防水功能的复合材料罩体，为半圆环形状，由吸波隐身功能外蒙皮、泡沫芯层和玻璃钢内蒙皮构成，其中：所述吸波隐身功能外蒙皮包括面层、吸波层、间隔层、屏蔽层和基层，由外向内分别为面层、第一层吸波层、第一层间隔层、第二层吸波层、第二层间隔层、第三层吸波层、第三层间隔层、屏蔽层、基层；所述泡沫芯层由聚氨酯泡沫构成；所述玻璃钢内蒙皮由玻璃纤维预浸料固化成型。
本发明中，所述复合材料罩体的基准面A平面度≤0.3mm，下工作面平面度≤0.3mm，下工作面与基准面A平行度≤0.4mm，下面平面度≤0.5mm。
本发明中，所述吸波隐身功能外蒙皮通过计算机辅助，设计为多面体外形，避免在雷达探测方向上产生强反射点，从而达到外形隐身效果。
本发明中，所述吸波层中铺设吸波毡，间隔层和基层中铺设玻璃纤维布，屏蔽层中铺设碳纤维布。
本发明中，所述面层厚度为1.3mm，第一层间隔层、第二层间隔层、第三层间隔层厚度均为0.8mm。
本发明中，所述吸波隐身功能外蒙皮对于8～18GHz频率雷达探测波的反射率≤-9dB。
本发明中，所述泡沫芯层所用聚氨酯泡沫的压缩强度不低于0.2MPa。
本发明中，所述玻璃纤维预浸料为低温固化环氧玻璃纤维预浸料。
本发明中，所述玻璃钢内蒙皮与泡沫芯层间铺设2层低温固化胶膜粘接，铺放区域为聚氨酯泡沫表面。
本发明中，所述玻璃钢内蒙皮与吸波隐身功能外蒙皮搭接连接，中间铺设2层低温固化胶膜粘接，铺放区域为玻璃钢内蒙皮与吸波隐身功能外蒙皮搭接区域。
本发明中，所述复合材料罩体下工作面表面有一耐磨层。
本发明中，所述耐磨层内添加树脂质量比3％的白炭黑。
一种上述具有吸波隐身及密封防水功能的复合材料罩体的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、制造外蒙皮成型模具，通过该模具成型复杂多面体吸波隐身功能外蒙皮，其中：
所述外蒙皮成型模具包括上模板、下模板、两端挡板、窗口挡块以及侧阴模，侧阴模成型面形状与罩体外形面一致；上、下模板考虑到内蒙皮搭接，在外蒙皮搭接边区域，模板凸出1mm；两端挡板考虑到内蒙皮搭接，同样成型面凸出1mm，形成台阶，同时具有组装限位结构；
步骤2、按照设计顺序在外蒙皮成型模具内腔铺放玻璃纤维布、碳纤维布和吸波毡，通过树脂真空导入工艺固化成型，吸波隐身功能外蒙皮固化后保持在模具中，并对毛边及内表面进行打磨处理，其中：
所述吸波隐身功能外蒙皮铺层时，玻璃纤维布和吸波毡对接铺层；所述树脂真空导入工艺采用慢速导流网，导流网搭接5～15mm，阻胶带宽度70～100mm；
所述树脂真空导入工艺注胶管路布置为距离下工作面外沿50mm环向铺设，窗口挡块横向中线位置铺设，抽气管路布置为距离基准面A外沿30mm随形铺设；
所述树脂真空导入过程中，首先开启下工作面位置注胶管路，待窗口挡块附近树脂浸润至挡块中线处，开启此位置注胶管路，直至纤维被完全浸润；
所述树脂真空导入前进行保压，真空压力≤-95KPa，且保压5min压力上升不超过0.5KPa；
所述树脂真空导入工艺为保持抽真空状态超过24h固化；
所述树脂真空导入工艺控制固化过程环境温度为25±5℃；
步骤3、借助泡沫压板工装在吸波隐身功能外蒙皮内腔进行聚氨酯泡沫发泡，其中：
所述聚氨酯泡沫采取喷涂和浇注工艺进行发泡，隐身功能外蒙皮内腔拐角区域采取喷涂工艺发泡，保证泡沫完全填充；拐角区域填充完全后，采取浇注工艺完成内腔整体发泡；
所述聚氨酯泡沫发泡方式为净尺寸发泡；
步骤4、在聚氨酯泡沫和吸波隐身功能外蒙皮搭接边表面进行胶膜和预浸料铺层，之后整体固化成型内蒙皮，固化完成后脱模得到复合材料罩体，其中：
所述内蒙皮成型采用OOA工艺；
所述OOA工艺为烘箱真空固化工艺；
所述内蒙皮预浸料铺层过程中，每铺5层进行抽真空吸胶一次，吸胶时间为半小时；
所述内蒙皮预浸料吸胶抽真空压力保持≤-95KPa；
所述内蒙皮预浸料吸胶温度为25±5℃；
所述OOA工艺固化过程为初始抽真空加压，控制固化温度为80±5℃，保温6h；
所述OOA工艺固化前进行保压，真空压力≤-95KPa，且漏气率≤1KPa/min；
所述OOA工艺固化过程控制升温速率为20±5℃。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
(1)本发明采用吸波毡、纤维布铺层，树脂真空导入工艺成型结构功能一体化外蒙皮，通过设计铺层顺序，实现精准控制各功能层厚度尺寸，保证8～18GHz频率的雷达探测波反射率≤-9dB，达到隐身的目的，通过负压导入树脂，充分浸润纤维后固化，使整体外蒙皮的孔隙率低，性能与热压罐工艺接近。
(2)本发明采用低温固化预浸料铺层，OOA工艺成型内蒙皮，采用烘箱固化，避免使用热压罐，同时固化温度低，实现了生产成本的大幅度降低，同时较低的固化温度使构件的热变形小，改善了复合材料罩体的尺寸精度。
(3)本设计了简单的外阴模结构模具，模具简单，设计难度低，无选材困难，外蒙皮采用室温(25±5℃)固化，内蒙皮采用烘箱80±5℃固化，模具热变形小，保证了复合材料罩体尺寸精度高，后期装配间隙小，有利于防水。
(4)本发明实现了结构功能一体化复合材料罩体成型与缺陷控制，解决了复合材料罩体尺寸精度不易控制的技术难题，大幅度降低了操作难度和成本。相比于传统的预浸料热压罐成型工艺，该方法提升了构件的质量稳定性与一致性，具有重要的应用价值。
附图说明
图1为具有吸波隐身及密封防水功能的复合材料罩体的典型结构示意图，(a)俯视图，(b)仰视图，(c)截面剖视图；
图2为具有吸波隐身及密封防水功能的复合材料罩体的制备流程图；
图3为模具组装示意图，(a)上、下模板组装状态，(b)挡板组装状态；
图4为外蒙皮的典型结构示意图；
图5为内、外蒙皮搭接示意图，(a)基准面位置内、外蒙皮搭接方式，(b)下工作面位置内、外蒙皮搭接方式及耐磨层成型位置；
图中，1-基准面A，2-下工作面，3-下面，4-吸波隐身功能外蒙皮，5-泡沫芯层，6-玻璃钢内蒙皮，7-模具上模板，8-模具下模板，9-侧阴模，10-挡板，11-面层，12-第一层吸波层，13-第一层间隔层，14-第二层吸波层，15-第二层间隔层，16-第三层吸波层，17-第三层间隔层，18-屏蔽层，19-基层，20-耐磨层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种具有吸波隐身及密封防水功能的复合材料罩体，所述复合材料罩体包括吸波隐身功能外蒙皮、泡沫芯层和玻璃钢内蒙皮，其中：所述吸波隐身功能外蒙皮包括面层11、吸波层、间隔层、屏蔽层18和基层19，由外向内分别为面层11、第一层吸波层12、第一层间隔层13、第二层吸波层14、第二层间隔层15、第三层吸波层16、第三层间隔层17、屏蔽层18、基层19；所述泡沫芯层由聚氨酯泡沫构成；所述玻璃钢内蒙皮由玻璃纤维预浸料固化成型。复合材料罩体的典型结构如图1所示，对应外蒙皮成型模具、泡沫压板工装均是按照复合材料罩体结构特点进行设计与制造。要求基准面A1平面度≤0.3mm，下工作面2平面度≤0.3mm，下工作面2与基准面A1平行度≤0.4mm，下面3平面度≤0.5mm。
本发明具有吸波隐身及密封防水功能的复合材料罩体的工艺流程如图2所示，分为模具设计流程与复合材料罩体制造流程，通过以下步骤实现：
1、外蒙皮成型模具设计
基于复合材料罩体外形结构特点与内外蒙皮连接形式，设计外阴模结构，材质为钢，模具上、下模板、两端挡板需要考虑到内蒙皮搭接，搭接成型面设计凸出1mm，上、下模板使用柱销限位，两端挡板使用凸出台阶限位，截面如图3所示，模具拼缝内埋有密封条，用于树脂真空导入工艺保气密。
2、预浸料制备
(1)预浸料选材
预浸料选择满足初始加压工艺要求的中高粘度预浸料，技术指标见表1。
表1复合材料热熔法预浸料质量指标
(2)预浸料裁切
根据模具尺寸进行预浸料裁切，可采用自动下料机或手工裁切。
3、外蒙皮成型
(1)模具组装
将上模板、下模板、两端挡板、窗口挡块与侧阴模进行组装。
(2)吸波毡、纤维布铺层
按照预设铺层顺序在模具内表面进行铺层，截面如图4所示，铺层完毕后依次包覆脱模布、隔离材料、导流网及真空袋膜，布置注胶管路、抽气管路。
(3)保气密
封堵注胶口，抽真空至真空袋内压力≤-95KPa，保压5min压力上升不超过0.5KPa。
(4)真空灌注
保压合格后，按照规定比例配置树脂，混合均匀后进行树脂真空灌注，灌注完成后关闭注胶管路，25±5℃环境下固化时间≥24h。
(5)切边打磨
按外蒙皮外形和尺寸进行裁切毛边，将外蒙皮内表面打磨粗糙。
4、泡沫芯层成型
(1)采用以外蒙皮成型模具表面作为泡沫成型的基准，对非喷涂区域进行保护后，采用喷涂工艺方式对拐角区域泡沫进行成型。
(2)切除泡沫干涉区域，使用成型盖板和外蒙皮轮廓进行泡沫限位，采用浇注工艺方式对其余内腔区域泡沫进行成型。
5、内蒙皮成型
(1)将泡沫表面打磨粗糙，铺放低温固化胶膜2层，铺放区域为泡沫表面及内、外蒙皮搭接区域，搭接方式如图5所示。
(2)按照预设铺层顺序及数量进行低温固化预浸料铺层，铺层区域同胶膜铺层区域，每铺5层进行抽真空吸胶一次，吸胶过程要求温度为25±5℃，真空压力保持≤-95KPa半小时。
(3)包覆复材后抽真空保压，要求真空压力≤-95KPa，且漏气率≤1KPa/min。
(4)将罩体整体固化成型，控制升温速率为20±5℃，控制最高温度为80±5℃，保温6h充分固化。
6、罩体脱模
依次拆除下模板和侧阴模，清理余胶。
7、耐磨层成型
按照预设铺层顺序及数量进行手糊铺层，树脂体系为添加树脂质量3％的白炭黑，在温度25±5℃固化24h以上。
8、外观修饰、打孔
修饰外表面，在指定区域定位后打孔。
本发明使用吸波毡构成多级吸波功能层，采用树脂真空导入工艺进行结构固化，实现了多型面复杂结构的整体成型制造。该工艺模具设计简单，仅使用单瓣外阴模便能够完成成型过程，通过合理的铺层和流道布置，即可成型出复杂的外形结构，相比其他液体成型工艺，具有成本低、操作简单、效率高等特点。
实施例：
产品名称：水密防护罩
结构描述：如图1所示，水密防护罩为半圆环形状，内圆半径为885mm，外圆半径为930mm，整体高度260mm，其中工作面高度232mm，为蒙皮、泡沫的A夹层结构。
实施步骤：
(1)将上模板、下模板、两端挡板、窗口挡块与侧阴模进行组装。
(2)按照预设铺层顺序在模具内表面进行铺层，铺层完毕后依次包覆脱模布、隔离材料、导流网及真空袋膜，布置注胶管路、抽气管路。
(3)抽真空保压，要求真空压力≤-95KPa，保压5min压力上升不超过0.5KPa。保压合格后混合树脂进行真空灌注，灌注完成后关闭注胶管路，25±5℃环境下固化时间≥24h。
(4)按外蒙皮外形和尺寸进行裁切毛边，将外蒙皮内表面打磨粗糙。
(5)采用以外蒙皮成型模具表面作为泡沫成型的基准，对拐角区域泡沫进行喷涂成型，对其余内腔区域泡沫进行浇注成型。
(6)预浸料选择初始加压预浸料，单层厚度0.17mm，幅宽1000mm，主要技术指标：树脂含量44±3％，挥发份含量≤1％，纤维面密度200±20g·m-2，纵向弯曲强度≥400MPa，纵向层间剪切强度≥40MPa。根据要求尺寸进行预浸料裁切。
(7)将泡沫表面打磨粗糙，按照预设铺层顺序及数量进行低温固化胶膜的低温固化预浸料铺层，铺放区域为泡沫表面及内、外蒙皮搭接区域，预浸料要求每铺5层进行抽真空吸胶一次，吸胶过程要求温度为25±5℃，真空压力保持≤-95KPa半小时。
(8)包覆复材后抽真空保压，要求真空压力≤-95KPa，且漏气率≤1KPa/min。保压合格后固化成型，要求控制升温速率为20±5℃，控制最高温度为80±5℃，保温6h。
(9)依次拆除下模板和侧阴模，清理余胶。
(10)按照预设铺层顺序及数量进行手糊铺层，树脂体系为添加树脂质量3％的白炭黑，25±5℃固化24h以上。
(11)修饰外表面，在指定区域定位后打孔。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
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