[发明专利]一种空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝、制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝、制备方法及应用，该蜂窝孔格为孔壁材料围成的六边形孔格；孔壁材料为有孔碳纤维织物复合材料，孔壁材料上的孔为矩阵式排列的方形孔。采用基于纤维薄化技术制备超薄高模碳纤维单向预浸料，分切至极窄预浸料块，编织成有孔网格碳纤维预浸织物作为碳纤维蜂窝制备原材料，制备工装为随型凹凸起伏上模/下模+群组六边形芯柱+侧边限位块的组合制备模具，在模具上依次重复铺贴预浸料块和六边形芯柱直至达到需要的蜂窝幅宽，施加适合不同幅宽蜂窝的特定固化压力完成组合体一体共固化，从而实现轻质高刚度有孔碳纤维蜂窝的制备，满足了蜂窝的刚度、逸气、耐温度交变环境等技术指标要求。

技术领域

本发明属于芯材制造技术领域，特别涉及一种空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝、制备方法及应用。

背景技术

碳纤维蜂窝是一种轻质高性能可设计新型结构芯材，可满足结构系统高精度、高稳定性、高可靠性等要求，是高性能轻质复合材料结构先进性的典型体现。欧美国家在这类材料上已经具备成熟的制备技术，并实现工程应用。美国HECEL公司、ULTRACOR公司已具备制造不同碳纤维、树脂体系、不同结构形式可设计的碳纤维蜂窝的技术能力，可完成定制、通用要求的碳纤维蜂窝产品。依据欧洲(ESA)的GSTP项目，德国INVENT公司和HPS公司联合研制出一种空间用有孔碳纤维蜂窝，密度达到31kg/m³，平压缩强度为0.9MPa，满足空间环境使用要求。基于轻质碳纤维制备的全碳夹层复合材料在欧洲联合研制的ExoMars火星探测器天线、PLANK探测器反射镜、STANT天线系统等结构上实现应用，在美国X系列空天飞行器、F系列高性能飞机等上得到广泛应用。

目前航天装备常用铝蜂窝、纸蜂窝、玻璃钢蜂窝芯材，与碳纤维面板组合制造出轻质复合材料夹层结构件，因异质材料的热膨胀系数不匹配，在服役环境变化下引起构件尺寸稳定性和型面精度降低，甚至引发构件内部微裂纹扩展而导致构件结构损伤，不能满足以空天飞行器为代表的新型航天运载器的结构系统使用需求。采用碳纤维蜂窝制备碳蒙皮/碳蜂窝芯的全碳同质夹层复合材料，具有更显著的减重效果、更高的比强度与比刚度，满足新型航天器的研制开发要求。然而国内相关研究几乎没有，研究基础较差，目前没有商品化的碳纤维蜂窝可用。

发明内容

为了解决传统复合材料蜂窝夹层构件因异质材料的热膨胀系数不匹配，而出现空间环境下扭曲变形和应力扩展、甚至结构损伤的问题，本发明人进行了锐意研究，提供了一种空间用轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝、制备方法及应用，通过超薄有孔网格碳纤维预浸织物制备，组合制备工装设计，蜂窝本体材料及定型共固化工艺设计实现轻质高刚度有孔碳纤维蜂窝的制备，满足了蜂窝的刚度、逸气、耐温度交变环境等技术指标要求，可用于空天飞行器、大尺寸探测卫星等航天器高精度高可靠性的轻质复合材料夹层构件的制造，从而完成本发明。

本发明提供了的技术方案如下：

第一方面，一种轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝，该碳纤维蜂窝的孔格为孔壁材料围成的六边形孔格；孔壁材料为有孔碳纤维织物复合材料，孔壁材料上的孔为矩阵式排列的方形孔，方形孔边长≤2mm，有孔碳纤维织物复合材料的铺设方向与蜂窝纵向角度为0°～60°。

第二方面，一种轻质高刚度有孔网格碳纤维蜂窝的制备方法，用于制备第一方面所述的碳纤维蜂窝，

步骤(1)，采用超声引导扩展纤维法将高模碳纤维丝束展薄，与树脂膜层复合制备出超薄碳纤维预浸料，预浸料面密度≤80g/m²，树脂质量含量控制在38％～44％之间；

步骤(2)，将步骤(1)得到的超薄高模碳纤维预浸料，在预浸料分切设备上裁切至碳纤维预浸极窄带束，带宽控制在2～6mm范围内；

步骤(3)，将步骤(2)得到的碳纤维预浸极窄带束以二维正交编织方式在-10℃～10℃温度条件下按孔边长/带宽≤0.5的比例进行编织，获得有孔网格碳纤维预浸织物；