[发明专利]复合材料回转体组合式抗冲击结构及其制备装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料制备的技术领域，尤其涉及一种采用特殊间断浸胶工艺方法缠绕成型制备的复合材料回转体及其工艺过程，具体的说，是一种复合材料回转体组合式抗冲击结构及其制备装置和方法。

背景技术

回转体构件作为航空航天飞行器等结构上常见构件，在使用过程中，极易受到飞鸟、冰块、轮胎碎片和其自身结构断裂碎片等冲击损伤。复合材料因其比强度大、比刚度高、可设计性好、抗疲劳性能好、抗冲击性能好等优点，逐渐取代金属材料成为航空航天结构上回转体构件的主要制备材料。目前，回转体结构主要包括全金属型、金属和复合材料组合型、全复合材料型。其中金属与复合材料组合型结构因其重量轻、抗冲击性能好、制备工艺简单而成为回转体构件首选材料。

但现有金属与复合材料组合型回转体结构厚度较薄，抗冲击能力有限，若增加厚度，重量将会随之增加，且外部需要更厚复合材料对其进行保护和固定，更增加了重量。因此，亟需开发一种抗冲击性能好的回转体结构。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在不增加结构重量基础上，增大了复合材料回转体的厚度，增强了复合材料回转体的抗冲击性能的复合材料回转体组合式抗冲击结构及其制备装置和方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

复合材料回转体组合式抗冲击结构，其中：包括由内之外依次包覆固定的金属薄壁筒体、内侧芳纶纤维缠裹层和外侧芳纶纤维缠裹层，内侧芳纶纤维缠裹层上间隔浸润树脂使内侧芳纶纤维缠裹层具有部分中空结构，外侧芳纶纤维缠裹层上均匀浸润树脂。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

金属薄壁筒体的材质为铝合金或钛合金。

将内侧芳纶纤维缠裹层和外侧芳纶纤维缠裹层的材质由芳纶纤维材料替换为碳纤维材料。

树脂为高韧性、高温环氧树脂。

复合材料回转体组合式抗冲击结构的制备装置，包括芳纶纤维辊、间断浸胶辊、连续浸胶辊以及金属芯模，纤维纱一端绕在芳纶纤维辊上，另一端穿过牵引导向辊绕在金属芯模上，间断浸胶辊和连续浸胶辊均设置在芳纶纤维辊和金属芯模之间，间断浸胶辊能对纤维纱间断式涂胶，连续浸胶辊能对纤维纱连续涂胶。

连续浸胶辊处设置有胶槽，胶槽内盛放树脂胶液，连续浸胶辊下部浸入树脂胶液，上部与纤维纱接触。

间断浸胶辊为渗孔浸胶辊，渗孔浸胶辊由中心轴、辊体和储胶槽组成，中心轴带动辊体转动，储胶槽位于辊体内侧并存储树脂胶液，辊体由间隔设置的带孔渗胶层和实心层组成，带孔渗胶层能透入树脂胶液，在渗孔浸胶辊旋转过程中，带孔渗胶层能间隔地接触纤维纱，并将树脂胶液涂抹在纤维纱上。

间断浸胶辊为凸台浸胶辊，凸台浸胶辊由中心辊及数个间隙设置的浸胶凸台组成，凸台浸胶辊下部放置盛放树脂胶液的容器，在凸台浸胶辊旋转过程中，浸胶凸台顶部能伸入容器浸入胶液，然后旋转到最高点与纤维纱接触，使树脂浸润纤维纱。

复合材料回转体组合式抗冲击结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：采用金属冲压加工方法加工复合材料回转体内部金属层；

步骤二：将金属层绕在芯模中心轴上，作为缠绕制备纤维层的金属芯模；

步骤三：将所用树脂胶液加入胶槽中，并加热，调节温度以得到适合缠绕的树脂粘度；

步骤四：将芳纶纤维纱穿过导向牵引辊、间断浸胶辊，固定在金属芯模缠绕起始点位置；

步骤五：按照设计要求，设置缠绕芯模、间断浸胶辊转速，使得芳纶纤维纱间断浸胶，同时进行内侧芳纶纤维缠裹层缠绕；

步骤六：当芳纶纤维缠绕到最后数层，停止间断浸胶辊转动，并使间断浸胶辊的浸胶端不接触纤维纱；

步骤七：使连续浸胶辊运作，芳纶纤维纱与之接触时连续浸胶，制备均匀浸胶的外侧芳纶纤维缠裹层；

步骤八：将缠绕完成的复合材料回转体组合式结构在热压罐中固化，形成复合材料回转体组合式抗冲击结构。

通过改变间断浸胶辊的转速和缠绕芯模的转速以及缠绕方向，能控制内侧芳纶纤维缠裹层内的树脂布置方式。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)分布在纤维层内部的树脂与芳纶纤维层形成部分中空结构，该结构在最大限度减轻结构重量基础上，增大了复合材料回转体的厚度，且保持了芳纶纤维层高韧性、能量吸收性能好的优点，增强了复合材料回转体的抗冲击性能。

(2)可以显著提高复合材料回转体内侧金属薄壁与芳纶纤维层及外侧复合材料层层间连接强度，纤维定位性能好。