本發(fā)明涉及高精度在軌服務(wù)平臺，具體地，涉及一種納米改性減振阻尼蜂窩夾層板。

背景技術(shù)：

未來航天器結(jié)構(gòu)將朝著大型化、輕量化、低振動、低噪聲、高承載以及高穩(wěn)定性等方向發(fā)展。這些航天器的顯著特點主要包括：在軌服務(wù)時間更長、載荷和燃料需求更多、空間環(huán)境更為復(fù)雜、對振動響應(yīng)水平和形狀精度保持能力要求更高。

納米改性減振阻尼蜂窩夾層板面向多領(lǐng)域、多任務(wù)需求，適應(yīng)不同的航天器承力結(jié)構(gòu)和有效載荷，有效降低了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的振動響應(yīng)和噪聲水平，大幅提高了儀器設(shè)備等有效載荷的指向精度和分辨率水平。

隨著未來航天器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和先進(jìn)材料的發(fā)展需求日益顯現(xiàn)，對航天器艙段結(jié)構(gòu)、有效載荷的振動和噪聲水平、形狀精度和穩(wěn)定性提出了更為苛刻的要求。為了滿足未來日益凸顯的應(yīng)用需求和使用過程中的技術(shù)要求，發(fā)明了一種具有特定功能的新型材料制作的納米改性減振阻尼蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)。

與國內(nèi)外目前蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)相比，該納米改性減振阻尼蜂窩夾層板有以下幾個特點：1)采用蜂窩芯材夾層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)重量輕，比常規(guī)結(jié)構(gòu)可減重33％左右；2)蜂窩芯材厚度遠(yuǎn)大于面板厚度，與雙側(cè)面板膠接復(fù)合后，整體剛性、穩(wěn)定性好；3)承載能力大，通過納米粉團(tuán)改性后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度顯著提高，能有效承載1～5噸以上航天器結(jié)構(gòu)；4)材料阻尼損耗因子大于0.3的溫度范圍較寬，與材料使用或航天器結(jié)構(gòu)工作環(huán)境溫度適應(yīng)或一致性較好。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種納米改性減振阻尼蜂窩夾層板，包括納米改性碳纖維復(fù)合材料面板和輕質(zhì)高強(qiáng)蜂窩芯材成。納米改性碳纖維復(fù)合材料面板包括復(fù)合材料基體、復(fù)材增強(qiáng)相以及高阻尼納米改性劑，其中，高阻尼納米改性劑將固體結(jié)構(gòu)材料機(jī)械振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，通過納米尺度突出的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和量子限域效應(yīng)，實現(xiàn)振動或噪聲對結(jié)構(gòu)有害能量的耗散。

根據(jù)本發(fā)明提供的納米改性減振阻尼蜂窩夾層板，包括上面板、下面板以及蜂窩芯材；

其中，所述蜂窩芯材的上端面連接所述上面板，下端面連接所述下面板；

所述上面板、所述下面板均包括復(fù)合材料基體、復(fù)材增強(qiáng)層以及納米改性劑；

所述復(fù)材增強(qiáng)層設(shè)置在所述復(fù)合材料基體的內(nèi)側(cè)面；所述復(fù)合材料基體內(nèi)分散有納米改性劑；

所述上面板的復(fù)材增強(qiáng)層與所述蜂窩芯材的上端面連接；所述下面板的復(fù)材增強(qiáng)層與所述蜂窩芯材的下端面連接。

優(yōu)選地，所述上面板與所述蜂窩芯材的上端面之間、所述下面板與蜂窩芯材的下端面之間通過有機(jī)高分子膠粘劑高溫膠接并固化。

優(yōu)選地，所述納米改性減振阻尼蜂窩夾層板的高度為5Nmm，N為正整數(shù)；所述上面板、所述下面板的厚度為0.1mm～2.0mm；

所述有機(jī)高分子膠粘劑固化后的高度為0.15mm～0.3mm。

優(yōu)選地，所述蜂窩芯材設(shè)置有螺紋預(yù)埋件；

所述上面板和/或下面板的表面設(shè)置有與所述螺紋預(yù)埋件相對應(yīng)的開孔；

所述螺紋預(yù)埋件用于通過所述開孔連接儀器單機(jī)。

優(yōu)選地，所述上面板、所述下面板采用納米改性碳纖維復(fù)合材料面板；所述蜂窩芯材采用鋁合金蜂窩芯材；

所述復(fù)合材料基體為環(huán)氧樹脂基體；所述納米改性劑為納米改性粉體、所述復(fù)材增強(qiáng)層采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成。

優(yōu)選地，所述納米改性碳纖維復(fù)合材料面板采用如下步驟制成：

步驟S1：在環(huán)氧樹脂基體中添加固化劑、骨料、填料以及稀釋劑；

步驟S2：將納米改性粉體采用納米分散工藝與環(huán)氧樹脂基體混合；

步驟S3：將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料浸漬液態(tài)樹脂后與所述環(huán)氧樹脂基體固化。

優(yōu)選地，所述納米改性粉體的形態(tài)為顆粒、納米管、類石墨烯、納米或納米網(wǎng)。

本發(fā)明提供的納米改性減振阻尼蜂窩夾層板的制作方法，包括如下步驟：

步驟1：將納米改性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料面板預(yù)先固化成型，實現(xiàn)納米改性粉體與納米改性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料面板面板均勻分散并充分混合；

步驟2：在上面板與蜂窩芯材的上端面之間、下面板與蜂窩芯材的下端面之間鋪設(shè)0.15mm厚的有機(jī)高分子膠粘劑；

步驟3：上面板、蜂窩芯材、下面板以及有機(jī)高分子膠粘劑在高溫、高壓下共同固化成型。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明提供了一種高阻尼蜂窩夾層板構(gòu)型，可以滿足未來高精度、高分辨率、高穩(wěn)定性、低振動水平特點的航天器承力結(jié)構(gòu)使用要求。

2、本發(fā)明中高阻尼納米改性劑將固體結(jié)構(gòu)材料機(jī)械振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，通過納米尺度突出的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和量子限域效應(yīng)，實現(xiàn)振動或噪聲對結(jié)構(gòu)有害能量的耗散。

3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，將新材料技術(shù)、納米技術(shù)與航天結(jié)構(gòu)技術(shù)有機(jī)結(jié)合。

4、本發(fā)明中蜂窩芯材結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、強(qiáng)度和剛度高、振動抑制能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好等新特點。

5、本發(fā)明中納米改性碳纖維復(fù)合材料面板具有較強(qiáng)的拓展性，結(jié)構(gòu)板厚度和尺寸不受型號規(guī)格限制，與板面被連接單機(jī)或有效載荷的接口豐富，可設(shè)計性、適應(yīng)性強(qiáng)，在滿足結(jié)構(gòu)承載功能的同時，通過納米改性技術(shù)，對整板結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)水平、噪音水平進(jìn)行了有效抑制。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明中固化復(fù)合前的納米改性蜂窩夾層板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中固化復(fù)合后的納米改性蜂窩夾層板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中納米改性碳纖維復(fù)合材料面板的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

在本實施例中，本發(fā)明提供的納米改性減振阻尼蜂窩夾層板，包括上面板、下面板以及蜂窩芯材；

其中，所述蜂窩芯材的上端面連接所述上面板，下端面連接所述下面板；

所述上面板、所述下面板均包括環(huán)氧樹脂基體4、納米改性粉體5以及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合層6；

所述納米改性粉體5設(shè)置在所述環(huán)氧樹脂基體4的內(nèi)側(cè)面和所述碳纖維增強(qiáng)復(fù)合層6之間；

所述上面板的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合層6與所述蜂窩芯材的上端面連接；所述下面板的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合層6與所述蜂窩芯材的下端面連接。

所述上面板與所述蜂窩芯材的上端面之間、所述下面板與蜂窩芯材的下端面之間通過有機(jī)高分子膠粘劑2高溫膠接并固化。

所述納米改性減振阻尼蜂窩夾層板的高度為5Nmm，N為正整數(shù)，特定厚度要求可以按照需求進(jìn)行差異化、異型化靈活設(shè)計；所述上面板、所述下面板的厚度為0.1mm～2.0mm；上面板、下面板采用碳纖維環(huán)氧樹脂、玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料或者鋁合金金屬材料中的任一種制成。上面板、下面板的表面處理選用增強(qiáng)膠接性能的表面處理方式；碳纖維環(huán)氧樹脂、玻璃纖維環(huán)氧樹脂面板的成型主要是計算機(jī)控制的纏繞機(jī)在模具上按所需要的角度鋪層順序進(jìn)行纏繞，然后固化成型。

所述有機(jī)高分子膠粘劑2固化后的高度為0.15mm～0.3mm。所述有機(jī)高分子膠粘劑2起到膠接連接作用，膠接強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度需滿足蜂窩夾層板承載要求。

蜂窩芯材常用有機(jī)高分子膠粘劑2規(guī)格型號有：J47B、J47C、J-78B、FM73、Redux312UL等。

所述蜂窩芯材設(shè)置有螺紋預(yù)埋件；所述上面板和/或下面板的表面設(shè)置有與所述螺紋預(yù)埋件相對應(yīng)的開孔；所述螺紋預(yù)埋件用于通過所述開孔連接儀器單機(jī)。

所述上面板、所述下面板采用納米改性碳纖維復(fù)合材料面板1；所述蜂窩芯材采用鋁合金蜂窩芯材3。根據(jù)蜂窩芯材所承受載荷大小、振動量級水平的不同，選取不同的高阻尼納米改性材料。

蜂窩芯材為標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，根據(jù)承載力的不同，選用不同規(guī)格和型號的蜂窩芯材。產(chǎn)品出廠狀態(tài)預(yù)壓為折疊狀態(tài)，面積按需裁剪并拉抻為正六邊形蜂窩網(wǎng)格。

蜂窩芯材的材料為鋁合金5A02、凱芙拉紙蜂窩(芳綸纖維)或鈦合金等。蜂窩芯材中蜂窩網(wǎng)格單元邊長規(guī)格為3～8mm，網(wǎng)格單元面片厚度為0.03～0.06mm。因此，選型時依據(jù)不同的單元邊長和厚度進(jìn)行排列組合，得到滿足剛度、強(qiáng)度需求的蜂窩芯材。

蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)整體厚度決定了蜂窩芯材的選用高度。蜂窩厚度一般不低于5mm，并按最低厚度的整數(shù)倍遞增，對于非常用或一般性的使用厚度，則根據(jù)設(shè)計需求靈活地進(jìn)行調(diào)整或進(jìn)行適應(yīng)性修改。

所述納米改性碳纖維復(fù)合材料面板1主要由納米粒子、環(huán)氧樹脂、固化劑、骨料、填料以及稀釋劑構(gòu)成，以一定的工藝共混、固化成型，具體為采用如下步驟制成：

步驟S1：在環(huán)氧樹脂基體4中添加固化劑、骨料、填料以及稀釋劑；

步驟S2：將納米改性粉體5采用納米分散工藝與環(huán)氧樹脂基體4混合；

步驟S3：將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料6浸漬液態(tài)樹脂后與所述環(huán)氧樹脂基體4固化。

所述納米改性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料面板在高溫和一定壓力條件下固化成型，環(huán)氧樹脂基體4和納米改性粉體5結(jié)構(gòu)充分融合并形成立體網(wǎng)狀交聯(lián)，面板內(nèi)部儲能模量、高低溫?fù)p耗模量提高，體系的振動損耗曲線峰增大并寬化，阻尼性能得到提高，成型的面板纏繞在纏繞機(jī)芯軸上，根據(jù)蜂窩板設(shè)計要求進(jìn)行切割并展開成平板形狀。

純環(huán)氧樹脂熱固化成型后，存在內(nèi)應(yīng)力大、質(zhì)脆、不耐沖擊、易開裂等缺陷，將環(huán)氧樹脂基體以及其它填料或添加物按一定配方比例進(jìn)行混合，以提高其綜合性能。

環(huán)氧樹脂基體4的固化過程通常分為凝膠、部分固化以及完全固經(jīng)三個階段。在環(huán)氧樹脂基體4中的成膜物質(zhì)由支鏈型結(jié)構(gòu)體型結(jié)構(gòu)的凝膠過程初期，加入適量改性納米粉體5并充分混合，通過物理(攪拌、超聲波、振蕩等)或化學(xué)(溶液試劑、催化劑、活化物質(zhì)等)方法，使納米粉體在環(huán)氧樹脂基體4中均勻分散。

在制備液態(tài)環(huán)氧樹脂基體4的同時，進(jìn)行碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料6的預(yù)制。半成品狀態(tài)下的碳纖維增強(qiáng)材料為碳纖維束帶或碳纖維織布。按照干法制造工藝將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料6預(yù)先浸漬環(huán)氧樹脂基體4，或者在制備過程中浸膠(濕法制造)。

改性納米粉體5和環(huán)氧樹脂基體4之間的復(fù)合性能主要依賴于兩者間的氧鍵作用以及材料結(jié)構(gòu)表面的化學(xué)交聯(lián)密度。伴隨著相異材料表面化學(xué)鍵和形成，還存在著原子或分子團(tuán)表面電荷的轉(zhuǎn)移，從而增加不同材料微觀界面間的結(jié)合力大小。反映在宏觀上，則表現(xiàn)為改性納米粉團(tuán)5高度分布到環(huán)氧樹脂基體4的空隙中；樹脂基體的粘度先急劇上升，最后完成彈性化，粘度消失；整體呈現(xiàn)流動性逐漸減弱，體系有一定熱量放出。具有活性的分子功能團(tuán)進(jìn)一步反應(yīng)，不斷硬化并形成一定的物理化學(xué)性能，最終完全固化，形成可以承載投入使用的納米改性碳纖維復(fù)合材料面板1。

納米改性碳纖維復(fù)合材料面板的固化過程還應(yīng)考慮溫度、壓力因素。納米改性碳纖維復(fù)合材料面板成品制成后可纏繞在纏繞機(jī)芯軸上，根據(jù)蜂窩板設(shè)計要求進(jìn)行切割并展開成平板狀態(tài)。

所述納米改性粉體5的形態(tài)為顆粒、納米管、類石墨烯、納米或納米網(wǎng)。納米改性粉體的種類和混合比例直接影響上面板或下面板的阻尼特性和減振效果。

本發(fā)明提供的納米改性減振阻尼蜂窩夾層板的制作方法，包括如下步驟：

步驟1：將納米改性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料面板1預(yù)先固化成型，實現(xiàn)納米改性粉體5與納米改性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料面板面板1均勻分散并充分混合；

步驟2：在上面板與蜂窩芯材的上端面之間、下面板與蜂窩芯材的下端面之間鋪設(shè)0.15mm厚的有機(jī)高分子膠粘劑2；

步驟3：上面板、蜂窩芯材、下面板以及有機(jī)高分子膠粘劑2在高溫、高壓下共同固化成型。

本發(fā)明提供的納米改性減振阻尼蜂窩夾層板，滿足大型化、輕量化、低振動、高承載、高穩(wěn)定性在軌服務(wù)平臺的板式結(jié)構(gòu)使用要求，可以廣泛應(yīng)用于各類低振動、低噪音水平的高低軌衛(wèi)星及深空探測器、高精度、高分辨率大型遙感衛(wèi)星、航天器箱板式主結(jié)構(gòu)以及小型有效載荷的儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)板。

以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。