[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

说明书

技术领域

本发明属于复合材料结构的制备技术领域，特别涉及用于航空航天领域的一 种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。

技术背景

自从美国在上个世纪80年代尝试着在太空中人工组装结构的试验之后，国 际上公认基于折叠式可展开结构的设计是目前唯一可行的制造大型太空结构的 办法。因此，各种可展开机构或折叠机构成为航天领域关注的研究领域。可展开 结构具有两个稳定状态即双稳态，双稳态是指结构具有延展和折叠两个特征状 态，结构无需永久变形即能被折叠，同时可以通过释放控制折叠过程储存的能量， 结构可以自行展开(参考聂国华，顾欣的“复合材料壳体结构的双稳态特性研 究”《中国力学学会学术大会》2005)。根据制造这种结构原材料的不同，折叠 可展开结构可以分为许多类如钢折叠结构、铝合金折叠结构、木折叠结构、塑料 折叠结构和碳纤维折叠结构等，而其中碳纤维折叠结构由于其轻质高强度等优良 特性倍受人们的关注，利用碳纤维复合材料制成的可以在微重力或失重状态下使 用的航天结构如可展开卫星天线、太空电池板、可延展探测器和空间伸展臂结构 等(参考颜卫亨，计飞翔，张茂功“折叠结构体系及类型”《建筑科学与工程 学报》2006.12)。

国外早在1966年Rimrott用各向同性的金属材料制成了一种薄圆柱壳状结构， 被称之为片状弹簧(tape springs)，通过研究这种结构在弯曲折叠过程中的变形 情况，发现它们并不具有双稳态性质。2003年Pellegrino将碳纤维增强塑料 (CFRP)引入薄壳结构，并做了相应的力学性能测试(参考J.C.H.Yee and S. Pellegrino“Foldable composite structure”.《Department of Engineering》.2003)之后，Galletly、Guest和Pellegrino等人分别在2004～ 2006年建立了各自的理论模型，指出反对称铺设的复合材料薄壳结构具有双稳态 性质，而对称铺设方式则没有(参考Diana A.Galletly，Simon D.Guest Bistable composite slit tubes.I.A beam model International Journal of Solids and Structures 41(2004)4517-4533和Diana A.Galletly，Simon D.Guest Bistable composite slit tubes.II.A shell model International Journal of Solids and Structures 41(2004)4503-4516)。Pellegrino等人在2003 年之后陆续做了一些实验，主要是测定双稳态复合材料薄壳结构在折叠过程中的 应力应变情况，讨论不同铺层方式对应变的影响(参考J.C.H.Yee，S. Pellegrino.Folding of woven composite structures.Composites：Part A 36 (2005)273-278；Sergio Pellegrino.Bistable Shell Structures.46th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures，Structural Dynamics & Materials Conference.2005和S.D.GUEST AND S.PELLEGRINO Analytical models for bistable cylindrical Shells.Proc.R.Soc.A2006.1)。但是在关于实验测 定弯曲过程中的试件纵向截面形貌变化方面的研究工作并未开展。 直到2005～2006年，我国才有一些作者如哈尔滨工业大学的王友善、谢志民， 北京航空航天大学的卢子兴，刘振国等人也对碳纤维增强复合材料薄壳(板)进 行过相应的折叠实验，观测其强度和损伤情况(参考刘宇艳，朱琦，万志敏， 王友善，杜星文等“用于可充气展开结构的热固性复合材料耐折叠性能研 究”.《宇航材料工艺》.2005)。目前国内外尚无任何实验测试双稳态结构的折叠 形貌变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种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。

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；