[发明专利]一种类桁架复合材料点阵夹芯结构的制备方法在审

专利信息
申请号: 201510194369.5 申请日: 2015-04-22
公开(公告)号: CN104802431A 公开(公告)日: 2015-07-29
发明(设计)人: 泮世东;黄林;陈志明;吴林志;周振功 申请(专利权)人: 哈尔滨工业大学
主分类号: B29D12/00 分类号: B29D12/00;B29C51/18
代理公司: 哈尔滨市松花江专利商标事务所 23109 代理人: 杨晓辉
地址: 150001 黑龙*** 国省代码: 黑龙江;23
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摘要:
搜索关键词: 种类 桁架 复合材料 点阵 结构 制备 方法
【说明书】:

技术领域

发明具体涉及一种类桁架复合材料点阵夹芯结构的制备方法。

背景技术

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观(微观)上组成具有新性能的材料。复合材料具有许多其他材料不具备的优点,如高比强度、高比模量、可设计性好、制造工艺简单、热稳定性好和高温性能好,不同种类的复合材料还具有不同的优良性能,例如抗疲劳性、抗冲击性、透电磁波性、减振阻尼性和耐腐蚀性等。复合材料应用极其广泛,在航空领域,国内外已经将复合材料应用于飞机机身、机翼、驾驶舱、螺旋桨、雷达罩、机翼表面整流装置等。在航天工程中,复合材料也扮演着重要的角色。为了满足航空航天大型结构的力学性能和多功能性的要求,迫切需要开发新型的航空航天超轻质高强度多功能材料。点阵夹芯结构的设计体现了汇集材料设计、结构设计和多功能设计为一身的协同优化设计理念。复合材料点阵夹芯结构因具有优良的力学性能和潜在的多功能应用价值,吸引了国内外许多优秀的力学学者对其进行研究。目前,对该结构基本力学性能的理论研究已经趋于成熟,但是制备出的结构力学性能与理论预测的结果相差甚远,从而限制了结构的广泛应用。制备工艺的好坏直接影响结构服役时间长短和结构安全可靠程度。因此,很有必要将制备工艺作为研究复合材料点阵夹芯结构的重中之重。

目前国外的研究情况是:弗吉尼亚大学Wadley课题组对复合材料点阵夹芯结构的研究做了很多工作,下面将分别介绍三种制备复合材料点阵夹芯结构的工艺:1)杆件组装工艺,2007年弗吉尼亚大学Wadley课题组首次利用该工艺成型碳纤维复合材料金字塔点阵夹芯结构,该工艺成型的金字塔点阵夹芯结构并没有发挥出杆件最大承载能力,面芯界面连接强度小,杆件容易穿透面板,导致结构发生破坏,且机械加工较多,使结构产生更多的缺陷。2)水切割单杆拼接工艺,继杆件组装工艺之后,Wadley课题组又提出并研制了水切割单杆拼接工艺,将制备的单向板切割成带有小凸台的杆件,在上下面板钻出十字形槽口,将带有凸台的杆件与带有十字形槽口的面板组装成型,并在槽口中灌注环氧树脂,最后固化成型。该工艺流程图及制备的结构如图1-4所示。该工艺制备缺陷为:切割单个杆件时,凸台部分容易萌生裂纹,大大消弱了面芯界面连接强度。3)水切割嵌锁组装工艺,在以上两种制备工艺的基础上,Wadley课题组成功研制了水切割嵌锁组装工艺,该 工艺成型的基本步骤为:a)设计层合板铺层并制备层合板;b)利用水切割机将层合板切成带有嵌锁槽的杆件;c)将带有嵌锁槽的杆件进行组装;d)最后将杆件与带有十字形槽口的面板进行装配并在槽口灌注环氧树脂固化成型。该工艺明显提高了芯子的成型效率。但对其力学性能进行分析后,发现只有一半纤维发挥出了潜力。

目前国内的相关的情况是:国内有两个具有代表性的工艺方法,分别为穿插编制工艺和预浸料一体成型工艺,穿插编制工艺为清华大学范华林教授等[i,][ii]首次提出并研制了穿插编织工艺,利用该工艺制备出了碳纤维复合材料点阵结构。杆件固化过程中不能加压,而且穿插工艺要求纤维束很细,降低了芯子的性能。通过预浸料一体成型工艺制备的复合材料金字塔点阵夹芯结构,具有如下缺点:纤维柱端部预埋在面板中,对面板的力学性能有一定影响;纤维杆径向成型压力不足,压时易造成纤维杆劈裂;人工操作过程太多,不易实现批量化。

发明内容

本发明的目的是提供一种类桁架复合材料点阵夹芯结构的制备方法,以解决现有国内外的组装工艺存在步骤复杂、节点粘接面积小,芯子不能整体成型的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:

步骤一:热压模具的预处理:首先用砂纸将波纹板模具表面的锈痕打磨掉,然后用丙酮清洗波纹板模具表面去除杂质,最后将脱模剂均匀地涂抹在波纹板模具的表面;

步骤二:波纹板的制备工作:首先将碳纤维预浸料裁成尺寸与波纹板模具一致,然后将碳纤维预浸料铺层形成波纹板,再波纹板放入波纹板模具中,在热压机上加压固化,调节热压机使其在恒温80℃的温度下保温30分钟,再加热至130℃时加压;

步骤三:面板的制备工作:首先将碳纤维预浸料裁成尺寸与面板模具一致,并按照设计方案对碳纤维预浸料进行角度铺设形成面板,用丙酮清洗面板模具,然后将脱模剂均匀地涂在面板模具,最后再面板模具放入热压机中,调节热压机使其在恒温80℃的温度下保温30分钟,加热至130℃时加压1~2MPa;

步骤四:波纹板的切割工作:用机械切割方法将通过压制成的波纹板沿着波纹板长度方向切割多个宽度与波纹板槽口宽度相同的波纹条;

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