一種類桁架復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明具體涉及一種類桁架復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀 (微觀）上組成具有新性能的材料。復(fù)合材料具有許多其他材料不具備的優(yōu)點，如高比強 度、高比模量、可設(shè)計性好、制造工藝簡單、熱穩(wěn)定性好和高溫性能好，不同種類的復(fù)合材料 還具有不同的優(yōu)良性能，例如抗疲勞性、抗沖擊性、透電磁波性、減振阻尼性和耐腐蝕性等。 復(fù)合材料應(yīng)用極其廣泛，在航空領(lǐng)域，國內(nèi)外已經(jīng)將復(fù)合材料應(yīng)用于飛機機身、機翼、駕駛 艙、螺旋槳、雷達罩、機翼表面整流裝置等。在航天工程中，復(fù)合材料也扮演著重要的角色。 為了滿足航空航天大型結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和多功能性的要求，迫切需要開發(fā)新型的航空航天 超輕質(zhì)高強度多功能材料。點陣夾芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計體現(xiàn)了匯集材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和多功能 設(shè)計為一身的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計理念。復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)因具有優(yōu)良的力學(xué)性能和潛在的 多功能應(yīng)用價值，吸引了國內(nèi)外許多優(yōu)秀的力學(xué)學(xué)者對其進行研宄。目前，對該結(jié)構(gòu)基本 力學(xué)性能的理論研宄已經(jīng)趨于成熟，但是制備出的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與理論預(yù)測的結(jié)果相差甚 遠，從而限制了結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用。制備工藝的好壞直接影響結(jié)構(gòu)服役時間長短和結(jié)構(gòu)安全 可靠程度。因此，很有必要將制備工藝作為研宄復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)的重中之重。
[0003] 目前國外的研宄情況是：弗吉尼亞大學(xué)Wadley課題組對復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu) 的研宄做了很多工作，下面將分別介紹三種制備復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)的工藝：1)桿件組 裝工藝，2007年弗吉尼亞大學(xué)Wadley課題組首次利用該工藝成型碳纖維復(fù)合材料金字塔 點陣夾芯結(jié)構(gòu)，該工藝成型的金字塔點陣夾芯結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)揮出桿件最大承載能力，面芯 界面連接強度小，桿件容易穿透面板，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，且機械加工較多，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更 多的缺陷。2)水切割單桿拼接工藝，繼桿件組裝工藝之后，Wadley課題組又提出并研制了 水切割單桿拼接工藝，將制備的單向板切割成帶有小凸臺的桿件，在上下面板鉆出十字形 槽口，將帶有凸臺的桿件與帶有十字形槽口的面板組裝成型，并在槽口中灌注環(huán)氧樹脂，最 后固化成型。該工藝流程圖及制備的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。該工藝制備缺陷為：切割單個桿 件時，凸臺部分容易萌生裂紋，大大消弱了面芯界面連接強度。3)水切割嵌鎖組裝工藝，在 以上兩種制備工藝的基礎(chǔ)上，Wadley課題組成功研制了水切割嵌鎖組裝工藝，該工藝成型 的基本步驟為 ：a)設(shè)計層合板鋪層并制備層合板；b)利用水切割機將層合板切成帶有嵌鎖 槽的桿件；c)將帶有嵌鎖槽的桿件進行組裝；d)最后將桿件與帶有十字形槽口的面板進行 裝配并在槽口灌注環(huán)氧樹脂固化成型。該工藝明顯提高了芯子的成型效率。但對其力學(xué)性 能進行分析后，發(fā)現(xiàn)只有一半纖維發(fā)揮出了潛力。
[0004] 目前國內(nèi)的相關(guān)的情況是：國內(nèi)有兩個具有代表性的工藝方法，分別為穿插編制 工藝和預(yù)浸料一體成型工藝，穿插編制工藝為清華大學(xué)范華林教授等[i，][ii]首次提出 并研制了穿插編織工藝，利用該工藝制備出了碳纖維復(fù)合材料點陣結(jié)構(gòu)。桿件固化過程中 不能加壓，而且穿插工藝要求纖維束很細，降低了芯子的性能。通過預(yù)浸料一體成型工藝制 備的復(fù)合材料金字塔點陣夾芯結(jié)構(gòu)，具有如下缺點：纖維柱端部預(yù)埋在面板中，對面板的力 學(xué)性能有一定影響；纖維桿徑向成型壓力不足，壓時易造成纖維桿劈裂；人工操作過程太 多，不易實現(xiàn)批量化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種類桁架復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)的制備方法，以解決現(xiàn)有 國內(nèi)外的組裝工藝存在步驟復(fù)雜、節(jié)點粘接面積小，芯子不能整體成型的問題。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：
[0007] 步驟一：熱壓模具的預(yù)處理：首先用砂紙將波紋板模具表面的銹痕打磨掉，然后 用丙酮清洗波紋板模具表面去除雜質(zhì)，最后將脫模劑均勻地涂抹在波紋板模具的表面；
[0008] 步驟二：波紋板的制備工作：首先將碳纖維預(yù)浸料裁成尺寸與波紋板模具一致， 然后將碳纖維預(yù)浸料鋪層形成波紋板，再波紋板放入波紋板模具中，在熱壓機上加壓固化， 調(diào)節(jié)熱壓機使其在恒溫80°C的溫度下保溫30分鐘，再加熱至130°C時加壓；
[0009] 步驟三：面板的制備工作：首先將碳纖維預(yù)浸料裁成尺寸與面板模具一致，并按 照設(shè)計方案對碳纖維預(yù)浸料進行角度鋪設(shè)形成面板，用丙酮清洗面板模具，然后將脫模劑 均勻地涂在面板模具，最后再面板模具放入熱壓機中，調(diào)節(jié)熱壓機使其在恒溫80°C的溫度 下保溫30分鐘，加熱至130°C時加壓1~2MPa ;
[0010] 步驟四：波紋板的切割工作：用機械切割方法將通過壓制成的波紋板沿著波紋板 長度方向切割多個寬度與波紋板槽口寬度相同的波紋條；
[0011] 步驟五：波紋條的預(yù)處理工作：逐一對多個波紋條表面上殘留的脫模劑和樹脂進 行預(yù)處理，先用砂紙打磨掉殘留下脫模劑和樹脂，再用丙酮清洗波紋條表面；
[0012] 步驟六：膠膜與波紋條的粘接工作：將膠膜剪裁成尺寸為16mmX 16mm，用膠膜粘 接切割完畢的波紋條，使多個波紋條通過膠膜的粘貼作用交錯拼接形成點陣芯子構(gòu)架；
[0013] 步驟七；對面板上波紋條擺放的位置進行定位；
[0014] 步驟八；點陣芯子構(gòu)架與面板的粘接工作：將兩個面板分別粘貼在多個波紋條形 成的點陣芯子構(gòu)架的頂面和底面上，然后將兩個角鐵設(shè)置在處于點陣芯子構(gòu)架頂面的面板 外，兩個角鐵對稱設(shè)置在所述面板的對角處，在常溫下壓制類桁架復(fù)合材料構(gòu)型持續(xù)3~5 分鐘；
[0015] 步驟九：將帶面板的點陣芯子構(gòu)架放置烘箱中，對膠膜進行固化，固化溫度為 120°C，固化時間120分鐘，即制得類桁架復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果：
[0017] 1、本發(fā)明工藝過程易操作：操作步驟簡單，利用碳纖維預(yù)浸料將其整體鋪放在波 紋板模具中，再將波紋板切割為多個波紋條，通過多個波紋條的拼接即可形成整體成型的 點陣芯子構(gòu)架構(gòu)架。
[0018] 2、本發(fā)明中波紋板模具的設(shè)計是根據(jù)類桁架復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)的簡化模型 計算得出結(jié)構(gòu)的最優(yōu)尺寸，從而使波紋板的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出優(yōu)質(zhì)的力學(xué)性能。
[0019] 3、本發(fā)明能顯著提高結(jié)構(gòu)性能：波紋條在壓力下成型，并且芯子纖維連續(xù)，整體性 能很強，面板與點陣芯子構(gòu)架之間的粘接面積可根據(jù)實際受力情況適當(dāng)調(diào)節(jié)，操作靈活，這 樣便于操作者根據(jù)具體工況要求設(shè)計粘接面積的大小。
[0020] 4、本發(fā)明操作過程機械加工環(huán)節(jié)少，且所實現(xiàn)的機械加工不會對點陣芯子構(gòu)架及 面板造成破損，避免產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的缺陷，由于點陣芯子構(gòu)架結(jié)構(gòu)的完整性，使其成型效率提 高了 60%，通過對成型點陣芯子構(gòu)架的力學(xué)性能進行分析后，發(fā)現(xiàn)其組成纖維充分發(fā)揮出 了潛力。
[0021] 5、本發(fā)明實現(xiàn)批量化：由于裁剪碳纖維預(yù)浸料為自動化操作，人工操作少，與現(xiàn)有 工藝相比，本發(fā)明更易于裁剪面積大的碳纖維預(yù)浸料，將面積大的碳纖維預(yù)浸料整體放置 在波紋板模具或面板模具中，而且是整體大面積一次成型，這樣即可實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，促進 工程實際運用。
【附圖說明】
[0022] 圖1是通過本發(fā)明制備的點陣芯子構(gòu)架（沒有上面板）的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2是本發(fā)明制備出的類桁架復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)的主視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖3是【具體實施方式】一步驟二中熱壓機對波紋