[发明专利]一种复合材料双稳态自伸展结构及其制造方法

说明书

本发明涉及一种复合材料双稳态自伸展结构及其制造方法，该双稳态自伸展结构存在伸展构型和卷拢构型两种稳定构型；所述伸展构型为主稳态，所述卷拢构型为次稳态，并且次稳态在外界激励下可自发转变为主稳态。制造方法包括如下步骤：制备复合材料片材、制备模压成型所用模具、铺层、合模、加热加压、固化、脱模。本发明通过复合材料细观结构设计，实现了复合材料结构在两种稳态构型下的能量可控，达到自发伸展的设计目标，具有自伸展、高承载、长寿命的优点。所述双稳态自伸展结构处于主稳态时的承载力在200kg以上，重复使用寿命不低于500次，轴向拉伸/压缩模量不低于30GPa，弯曲模量不低于20GPa，管材厚度不低于0.8mm。

技术领域

本发明涉及机械结构技术领域，尤其涉及一种复合材料双稳态自伸展结构及其制造方法。

背景技术

利用木工钢尺伸展-卷拢的基本原理，英国剑桥大学工程系Pellegrino博士等人率先进行了双稳态复合材料结构的研究与应用，设计了一类基于反对称铺层的复合材料双稳态结构，这类结构广泛应用于航天飞行器自锁铰、可延伸探测器以及电子通讯领域可延展杆等构件。

近年来，Rolatube公司将复合材料双稳态结构逐渐发展为具有一定承载能力的工程复合材料结构，并将之应用于消防梯、担架、机枪枪托、天线支架等工程结构。

本发明提出了一种基于双稳态构型的智能复合材料结构，可以实现自伸展、易卷拢、高承载、长寿命的优异结构性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的是双稳态复合材料无法自动伸展的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种复合材料双稳态自伸展结构，存在伸展构型和卷拢构型两种稳定构型；所述伸展构型为主稳态，所述卷拢构型为次稳态，并且次稳态在外界激励下可自发转变为主稳态。

优选地，所述双稳态自伸展结构在主稳态时为横截面为c型或o型的开口管材；所述双稳态自伸展结构在次稳态时为横截面为平直截面的多层卷材，且主稳态在外界激励下无法自发转变为次稳态。

优选地，所述双稳态自伸展结构通过铺设铺层并模压成型，并且铺层按照如下方式进行铺设：

位于中间的中性层的铺层设计为：0°/0°/90°/90°/0°/0°，中性层上下两侧区域的铺层设计为斜交铺层，并且上下两侧区域的铺层为反对称铺层。

优选地，将多层卷材打开1～2倍卷材宽度的长度，所述双稳态自伸展结构由次稳态自发转变为主稳态。

优选地，将所述开口管材沿轴向卷拢，所述双稳态自伸展结构由主稳态变为次稳态。

优选地，所述双稳态自伸展结构采用复合材料制备而成，所述复合材料包含纤维和树脂；

所述纤维选自玻璃纤维、碳纤维、蓝宝石纤维、硼纤维、玄武岩纤维、芳纶、氨纶或腈纶中的任一种，优选为玻璃纤维；

所述树脂选自环氧树脂、不饱和聚酯、乙烯基树脂、聚氨酯、聚氰酸脂、苯并噁嗪、双马来酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚芳咪酮或热塑性聚酰亚胺中的任一种，优选为环氧树脂。

优选地，所述双稳态自伸展结构处于主稳态时的承载力在200kg以上，重复使用寿命不低于500次，轴向拉伸/压缩模量不低于30GPa，弯曲模量不低于20GPa，管材厚度不低于0.8mm。

优选地，所述双稳态自伸展结构还包括补强层；所述补强层由纤维和树脂复合而成；

优选地，处于主稳态的所述双稳态自伸展结构的上端区域和下端区域分别设置有第一补强层和第二补强层；