[发明专利]基于复合材料的折叠式可展开结构的制备方法和性能表征

权利要求书

1.一种基于复合材料的折叠式可展开结构的制备方法，其特征在于，所述复 合材料结构试件的制备，

1)原材料的选取

选用单层厚度为0.3mm的碳纤维预浸布；

2)模具的设计

模具采用45钢为原材料，采用对模结构，分为凸模和凹模，其中凹模又采 用拼装模的结构，模具的工作面的表面粗糙度要求为0.8，以实现复合材料试件 的顺利脱模；

3)脱模剂的配制

选用聚乙烯醇、无水乙醇和蒸馏水为原材料，配制方法：将5份的聚乙烯醇 用45份的蒸馏水浸泡24小时，然后将该混合物从室温缓慢地加热到80℃，加 热时间2个小时，边加热边用玻璃棒搅拌，使其均匀受热，保温，直到其完全溶 解；待其冷却至室温后，再用滴管缓慢滴加50份的无水乙醇，边加边搅拌，以 防止结块，完全加入后过滤，装瓶即可使用；

4)固化成型

先将模具用无水乙醇进行表面清洁，然后均匀地涂刷脱模剂，待脱模剂彻底 干燥成膜后，再将裁剪好的碳纤维预浸布按照±45°方向双层铺设于模具后合 模，最后将模具放入加热装置中加热，当温度达到80℃时取出模具重新拧紧螺栓， 然后保持恒温120℃固化两个小时，炉冷至室温脱模；

5)脱模和后处理

固化过程结束后，从模具中脱模取出复合材料结构试件，再对复合材料结构 试件进行表面和边角修整，即得到碳纤维的复合材料结构试件。

2.根据权利要求1所述基于复合材料的折叠式可展开结构的制备方法，其特 征在于，所述碳纤维预浸布由含量为45wt％环氧树脂和含量为55wt％纤维布组成。

3.权利要求1所述复合材料的折叠式可展开结构性能表征，其特征在于，所 述复合材料的折叠式可展开结构性能表征包括：横截面半径R，对应圆心角θ， 以及折叠后形成的折叠半径r；理论模型的研究给出了一个简明的预测双稳态结 构形状的公式：

rR=D11D12]]>

其中D₁₁和D₁₂为材料的弯曲刚度，这一公式指出了复合材料薄壳结构的双稳态 构型只与材料性质和铺层方式有关，对双稳态复合材料的研究、制造及实验有很 好的指导作用；具体步骤为：

1)待测试件的加工

将上面得到的复合材料结构试件的两端各留10mm长度作为实验夹持部分， 中间100mm长度分别加工成剖片弧度为70°、90°和120°的剖片，在剖片与夹 持部分连接处加工出半径为3mm的倒角，以避免试件折叠时产生集中应力。

2)弯曲测试

由于试件在折叠的过程中位移和变形量都很大，一般的光测实验方法很难进 行测试，于是采用电测方式对折叠过程中的变形情况进行测量，在试件的中心点 上粘贴一个BY120-3CA应变花来测量折叠过程中的应变数据；将复合材料结构试 件用压头固定在万能试验机上，实验中，万能试验机的压力通过一个转轴对试件 进行偏心加载，试件会从受单向压缩状态迅速失稳开始弯曲，从而实现对试件的 弯曲加载。

3)实验数据的采集

大变形弯曲过程中采用YE2539高速静态应变仪采集应变数据，同时采用高 像素数码相机定时拍摄试件在弯曲过程中纵截面的形貌变化，以便分析试件的纵 向弯矩变化情况；弯曲回弹过程采用采用SDA—830C动态电阻应变仪测量采集动 态应变数据；

4)实验数据的分析

a)载荷分析，通过BK-2F型力传感器得到实验中所加载的实验载荷；

b)应变分析，通过静态和动态应变仪软件直接搜集到实验过程中的应变数 据；

c)纵向曲率半径和弯矩分析，通过对数码照相机拍摄的试件在弯曲过程中 的纵向弯曲形貌照片的处理，利用三点法对实验过程中拍摄的试件纵截面形貌照 片进行处理，在每张照片上试件的弯曲部分找三个点，用三点法找出弯曲段圆弧 对应的圆心，然后就可测得此时的纵向弯曲半径和对应的力臂，然后再结合当时 的试验机传感器搜集的载荷就可得到对应时刻的纵向弯矩，测出试样在弯曲过程 中的纵向曲率半径变化，进而得到相应的弯矩变化情况，从而验证预测上述双稳 态结构形状的公式。