[发明专利]一种曲面复合材料点阵结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于工程结构领域，尤其涉及一种适用于曲面复合材料点阵结构及其制备方法。

背景技术

点阵结构是一种微结构有序的多孔材料，以其微观结构与晶体点阵结构类似而得名。可以通过对点阵结构微结构的构型设计实现高比刚度、比强度的优点，在一定的结构承载力下节省大量的材料，减轻结构本身的质量。同时由于点阵结构具有孔隙率很大的特点，可以利用点阵结构的空隙储油、布线、填充功能材料等，实现点阵结构的多功能化。目前常见的点阵结构从材料上说，分为金属点阵结构和复合材料点阵结构，金属点阵结构的制造工艺已经十分完善，包括熔模铸造法、变形成型法、金属丝编织法、金属丝搭接组装法等，针对不同的点阵结构构型皆有相适宜的制造方法。复合材料由于本身的较金属材料的高比强度、比模量，以及各向异性，使得复合材料点阵结构比金属点阵复合材料有更优异的性能和可设计性。然而，复合材料点阵结构的制备工艺相对复杂，人们已提出了一体化成型工艺和二次成型工艺。一体化成型工艺可以解决点阵芯子与复合材料面板的粘结强度问题，但其制备过程过于依赖手工操作，不易实现自动化；二次成型工艺易于实现自动化，但其点阵芯子单体之间采用粘结的方式相互结合，由点阵芯子单体相互结合得到的点阵芯子与复合材料面板间实现粘结的面积较小，因此点阵芯子与面板间的粘结强度较低，使得复合材料点阵结构的剪切强度低。早在2010年哈尔滨工业大学吴林志等人提出含有连接加强的点阵结构，并提出了纤维束相互交叉的“十”字嵌锁式生产工艺。解决了点阵结构芯子和面板粘接面积过小的问题，详见申请号为201010202993和201010202995专利。但是“十”字嵌锁式工艺只适用于平板结构，对有曲率半径要求的点阵壳体结构，可操作性差，工艺实施困难。首先，“十”字嵌锁式的制备工艺要求在制备点阵纤维束单体时，纤维束的走向是沿着平行于平板对角线方向铺设的，然而对于不规则的曲面没有确定的对角线方向，导致在制备点阵纤维束单体时纤维束没有确定的铺设方向，制备较难；其次，“十”字嵌锁式工艺制备点阵纤维束单体时，为了提高效率不同走向的纤维束采用十字交叉固化的工艺，对于一些曲率半径较小的曲面板，在纤维束交叉的地方容易发生不同方向的纤维束无法汇集与一点，导致点阵结构力学性能下降。综上所述，“十”字嵌锁式工艺对于小曲率半径或不规则曲面的制备存在一定的局限性。

由于点阵结构是中空的结构，通过在空腔中填充各种功能材料，以此实现多功能轻量化的目的，例如耐火/承载一体化的功能，隐身/承载一体化的功能，防护/承载一体化的功能。因此，点阵材料被广泛的应用于航空、航天、航海等领域。然而，在某些应用场合，要求点阵结构具有一定的曲面，例如，天线罩、飞机机翼的蒙皮等，且这些曲面往往都是结构比较复杂的空间曲面，这就使得作为承载或者保护外壳的点阵结构具有一定的曲面结构。目前，针对点阵平板的制备工艺方法较多，但对于具有曲面特征的点阵结构的制备方法却很少，而且仅限于具有规则曲面的点阵结构的制备，并且这些工艺方法均受到曲面结构和规模化生产的限制。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种曲面复合材料点阵结构的制备方法，可以较好地解决曲面结构和规模化生产对点阵结构制备的限制。

本发明的一个目的在于提供一种曲面复合材料点阵结构。

本发明的曲面复合材料点阵结构包括：点阵芯子、外面板和内面板；其中，外面板和内面板均采用复合材料；点阵芯子包括纤维束单体和加强点，纤维束单体通过加强点分别固定在外面板和内面板上；纤维束单体为具有曲率的三角波形；按照实物外形的需要，点阵芯子的纤维束单体，以及外面板和内面板分别具有相应的曲率半径；三角波形的纤维束单体在拐点处为具有一定曲率半径的圆角；三角波形的外拐点所在的曲面的曲率半径与外面板的内表面相同，三角波形的内拐点所在的曲面的曲率半径与内面板的外表面相同；相邻的两根纤维束单体一侧的相对应的拐点处采用加强点连接，构成一个加强点连接4个纤维束杆，形成四棱锥形。

三角波形的纤维束单体，拐点处的圆角的曲率半径为R3，纤维束抗弯刚度与纤维束捻度之间的关系由下式(1)给出，成型时的纤维束捻度和配比重量与圆角的曲率半径R3的最小值之间的关系，满足下式(2)：

EI＝21682+0101X                  (1)