卫星用碳纤维复合材料蜂窝夹芯板工艺分析

2021-07-02 14:03

M40J碳纤维复合材料具有较高的比强度和比模量,热膨胀系数小,尺寸稳定性好,而且在真空条件下质损率低,是目前我国航天应用卫星结构的主要材料,如卫星天线结构、太阳电池阵基板结构等。本文对M40J碳纤维复合材料面板蜂窝夹层结构成型工艺进行分析研究。

某卫星用M40J碳纤维复合材料面板蜂窝夹层结构板为蜂窝夹芯结构,由上下蒙皮、蜂窝芯通过胶膜胶接成型。虽外形尺寸不大,结构相对简单,但由于其特殊的用途,对制件的表面质量和尺寸精度要求极高,因而也对模具提出了较高的加工精度。铝质模具热胀冷缩对制件的影响较大,反复进罐,模具型面会有微量变形,影响制件的最终质量。在考虑成本等诸多因素的情况下,采用了刚度大、不易变形的45#钢。

将M40J预浸料按复合材料结构板产品结构设计要求下料、铺叠后进行封装。按工艺要求在一定的温度、压力作用下,经真空袋-热压罐法按树脂工艺固化成型。

蜂窝芯材采用芳纶纸蜂窝,由于构件对厚度要求较高,蜂窝外形加工厚度公差控制在0.1mm内,外型由数控加工成型。芳纶纸蜂窝为正六边形,孔格边长3mm,纸材厚度0.05mm,密度48kg/m3。根据使用要求,可成型为带孔或不带孔蜂窝芯。

蜂窝夹层板是一种3层的复合板,由上、下面板和蜂窝芯子组成,由胶粘剂把面板和芯子胶粘在一起。为保证面板厚度,提出2种方案:(1)采用含胶量较高的预浸料,放置吸胶材料进行吸胶,利于吸胶时树脂挥发份的溢出。(2)采用含胶量较低的预浸料,放置脱模布,不放置吸胶材料。通过分析,第一种方案虽有可能增加了导气性,但由于环氧树脂的流动性较好,放置吸胶材料很容易造成贫胶,存在比较大的风险。考虑到复合材料面板较薄,使用脱模布也能起到良好的导气效果,同时能保证制件不贫胶,第二种方案可控性较好。通过试验,确定了预浸料含胶量与蒙皮吸胶材料用量,保证了蒙皮厚度尺寸。

为避免成型后由于面板角度偏差引起的翘曲影响结构板的平面度,对预浸料铺层进行机器自动下料,保证片料角度的准确性。同时,对发泡胶固化厚度进行控制。胶接过程使用的发泡胶的流淌一般为2cm左右,发泡比为1:(1.5~3.5)。若胶膜厚度过薄,固化后不能完全填充蜂窝区,影响制件质量;若胶膜过厚,由于面板较薄,固化后发泡胶填充区域会出现凸起,影响结构件平面度。同时,胶接固化压力的大小及均压板的选取对制件平面度也有不同程度的影响。

通过以上不同参数的试验,确定了发泡胶的厚度及胶接固化压力,确定均压板采用硬质板材,有效保证了卫星碳纤维蜂窝夹层结构板的平面度及整体质量。