CN102653155A - 一种帽型结构化的预浸纸片材及其叠层复合材料结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种帽型结构化的预浸纸片材及其叠层复合材料结构，属于复合材料及其成型技术领域。本发明通过预浸纸及其形成的帽型片材结构的粘结组合，形成一种降尺度的帽型结构化片材及其叠层轻量化结构。该结构具有多层次、多尺度的构型与结构性能设计空间，高比刚度，面内空心透气，并且选材自由，制备工艺简单，是一种新型的结构化的复合材料，可广泛应用于轻质、高刚加强的结构。

Description

一种帽型结构化的预浸纸片材及其叠层复合材料结构

技术领域

本发明属于复合材料及其成型技术领域，涉及一种帽型结构化的预浸纸片材及其叠层复合材料结构。

背景技术

飞机结构中广泛使用加筋、加肋、加墙或帽型等增刚结构，包括多筋、多肋、多墙和多帽型结构等，其结构性能优势在于卓越的比刚度及其可设计性，不论这种结构的选材是金属、非金属还是复合材料，均使得这样的强化方式造成了结构性能的方向依赖性。另一方面，在制造技术上，筋、肋、墙或帽型材通常都是先行各自独立制造，然后，根据结构设计与材质特性，被连接到面板或蒙皮上(即二次加工)，形成工程技术尺度上的单层面板或蒙皮的增刚结构。因此，可以看出，这种现有的飞机中广泛使用的结构一般尺寸较大，属于单层的结构组件，且只在加筋的展向具有增刚作用，具有极强的方向依赖性。

蜂窝结构是飞机结构中一个普遍使用的高比刚度且各向异性的加强结构。蜂窝的材料可以是金属、高分子或无机非金属，其中，预浸纸是一种最重要的蜂窝选材。预浸纸蜂窝的制备通常是按照蜂窝结构单元的规格先进行局部涂胶，然后单向拉伸并固化定型，得到连续的蜂窝，这种蜂窝具有结构的周期性且具有一定的面铺覆性。但作为最终的加强结构，还必须在蜂窝轴向的垂直方向上粘结固定面板进行封闭以限制其面内变形，最后得到工程技术尺度上的蜂窝夹芯复合材料，或者说，蜂窝夹芯复合材料结构。但蜂窝夹芯结构一般都具有一定的高度才承受较大的剪力，有一定的载荷承受限制。

发明内容

本发明的目的是提出一种多层次、多尺度、能承受较大剪力、刚度可调的帽型结构化的预浸纸片材及其叠层复合材料结构。它通过预浸纸及其形成的帽型结构的粘结组合，形成一种降尺度的帽型结构化片材及其叠层轻量化结构。该结构具有多层次、多尺度的构型与结构性能设计空间，高比刚度，面内空心透气，并且选材自由，制备工艺简单，是一种新型的结构化的复合材料，可广泛应用于轻质、高刚加强的结构。

本发明的技术方案是：

该叠层复合材料结构的制备步骤如下：

(A)准备预浸纸，预浸纸由干态的纸和预浸定型胶形成，预浸纸的名义压厚为0.05毫米至0.2毫米，预浸纸中定型胶的重量百分比为0.1～20％，定型胶为热固性树脂；

(B)制备帽型结构，采用模压或辊压的方法将步骤(A)中的预浸纸压制成帽型结构，帽型结构的预浸纸厚度为预浸纸名义压厚的100％～50％，帽型结构的高度为其预浸纸厚度的1倍至100倍，帽型结构的帽顶宽为其预浸纸厚度的1倍至100倍，帽型结构的帽顶与侧边的夹角为30度至90度；

(C)制备叠层复合材料结构，将步骤(A)中形成的预浸料纸和步骤(B)中形成的帽型结构采用热固性树脂粘接，热固性树脂的厚度为0.01毫米至0.1毫米；该叠层复合材料结构的顶层和底层为预浸纸，其余部分为预浸纸与帽型结构的组合。

所述的叠层复合材料结构的顶层和底层中间为预浸纸与帽型结构的交替组合。

所述叠层复合材料结构中每层帽型结构的铺贴角度可以变化以调整叠层复合材料结构的整体刚度。

所述叠层复合材料结构的厚度不大于50毫米。

所述热固性树脂为：环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂，氰酸酯树脂或苯并噁嗪树脂。

本发明的优点是：

本发明提出一种周期帽型结构化连续片材的设计思想，其主要材质是预浸纸，预制加工成为一种连续的初级增强结构；然后，在这种预制帽型片材的任一个或两个面上粘结固定一张薄层片材，将限制其沿折叠周期方向的伸缩和面内的弯曲变形，形成一种预制而连续的次级增强结构，它可以类比为一种降尺度的周期性帽型增刚结构板。将两张及两张以上这样的次级结构板按照一定的取向规律相互叠层粘结固定，将得到一种具有一定厚度、“结构化”的三维层合复合材料，它具有极大的构型与结构性能设计空间、高比刚度、空心透气，并且选材自由，制备工艺简单，是一种新型的结构化的复合材料。

本发明以帽型周期结构化连续片材作为初级增强结构，以帽型结构封闭因而面内伸缩和弯曲变形固定的连续板材作为次级增强结构，以这种次级增强板按照一定取向规律、相互叠层粘结固定的三维增强体作为高级结构，各层次、各尺度都具有独立而明确的结构特点和设计要素，因此具有多层次、多尺度的构型与结构性能设计空间，结构本身高比刚度、面内空心透气，并且选材自由，制备工艺简单，是一种新型的结构化的复合材料，可广泛应用于轻质、高刚加强的航空航天结构应用及其他量大面广的结构应用场合。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明结构参数示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。本发明一种帽型结构化的预浸纸片材及其叠层复合材料结构，制备步骤如下：

(A)准备预浸纸1，预浸纸由干态的纸预浸定型胶形成，预浸纸的名义压厚4为0.05毫米至0.2毫米，预浸纸中定型胶的重量百分比为百分之零点一至百分之十，定型胶为热固性树脂，热固性树脂可为：环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂，氰酸酯树脂或苯并噁嗪树脂；

(B)制备帽型结构3，采用模压或辊压的方法将步骤(A)中的预浸纸压制成帽型结构3，帽型结构3的厚度5为预浸纸厚度4的100％至50％，帽型结构3的高度6为其厚度5的1倍至100倍，帽型结构3的帽顶宽7为其厚度5的1倍至100倍，帽型结构3的帽顶与侧边的夹角8为30度至90度；

(C)制备叠层结构，将步骤(A)中形成的预浸料纸和步骤(B)中形成的帽型结构采用热固性树脂层2粘接，热固性树脂层2可为：环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂，氰酸酯树脂或苯并噁嗪树脂，热固性树脂层2的厚度9为0.01毫米至0.1毫米。

本发明通过预浸纸及其形成的帽型结构的粘结组合，形成一种降尺度的帽型结构化片材及其叠层轻量化结构。该结构具有多层次、多尺度的构型与结构性能设计空间，高比刚度，面内空心透气，并且选材自由，制备工艺简单，是一种新型的结构化的复合材料，可广泛应用于轻质、高刚加强的结构。

实施例1：

采用名义厚度为0.08mm芳纶纸模压帽型结构，粘结制备8层正交叠层复合材料板结构，其具体步骤如下：

(1)准备预浸纸：名义厚度为0.08mm的芳纶纸，采用环氧3266树脂按重量百分比为百分之三点五预浸并固化，获得预浸纸(用“P”代替)。

(2)模压制备帽型结构，帽型结构(用“C”代替)的名义厚度为0.08毫米，帽型结构的高度为2mm，冒顶宽1.5mm，帽顶与侧边的夹角为60°，共制备8张这样的初级增刚片材。

(3)制备正交叠层结构，在帽型结构的帽顶刷涂3266树脂，将预浸了环氧3266树脂的芳纶纸及其模压形成的帽型结构按[P/C(0°)/P/C(90°)/C(0°)/P/C(90°)/P]s的顺序组合，在烘箱中对组合体进行固化，即可得到整体厚度为25mm的正交叠层复合材料板结构。

实施例2：

采用名义厚度为0.08mm芳纶纸模压帽型结构，粘结制备8层准各向同性叠层复合材料板结构。

该实施例与实施例1的不同在于结构铺层该为正交的形式，即为芳纶纸及其模压形成的帽型结构按[P/C(45°)/P/C(0°)/C(-45°)/P/C(90°)/P]s的顺序组合，在烘箱中对组合体进行固化，即可得到整体厚度为25mm的正交叠层复合材料板结构。

实施例3：

采用名义厚度为0.08mm芳纶纸辊压帽型结构，粘结制备8层正交叠层复合材料板结构。

该实施例与实施例1的不同在于制备帽型结构是采用了自动化的辊压设备，提高了帽型结构的及其叠层复合材料板的制备效率，得到了整体厚度为25mm的正交叠层复合材料板结构。

实施例4：

采用名义厚度为0.12mm植物纤维纸模压帽型结构，粘结制备2层正交叠层复合材料板结构，其具体步骤如下：

(1)准备预浸纸：名义厚度为0.12mm的植物纤维纸，采用酚醛树脂按重量百分比为百分之五预浸并固化，获得预浸纸(用“P”代替)。

(2)模压制备帽型结构，帽型结构(用“C”代替)的名义厚度为0.11毫米，帽型结构的高度为0.5mm，冒顶宽0.5mm，帽顶与侧边的夹角为85°，共制备2张这样的初级增刚片材。

(3)制备正交叠层结构，在帽型结构的帽顶刷涂酚醛树脂，将预浸了酚醛树脂的植物纤维纸及其模压形成的帽型结构按[P/C(0°)/C(90°)/P]的顺序组合，在烘箱中对组合体进行固化，即可得到整体厚度为1.4mm的正交叠层复合材料板结构。

实施例5：

采用名义厚度为0.15mm植物纤维纸模压帽型结构，粘结制备3层U型复合材料结构，其具体步骤如下：

(1)准备预浸纸：名义厚度为0.15mm的植物纤维纸，采用酚醛树脂按重量百分比为百分之八预浸并固化，获得预浸纸(用“P”代替)。

(2)模压制备帽型结构，帽型结构(用“C”代替)的名义厚度为0.14毫米，帽型结构的高度为0.75mm，帽顶宽1.0mm，帽顶与侧边的夹角为55°，共制备3张这样的初级增刚片材。

(3)制备U型复合材料结构，在帽型结构的帽顶刷涂酚醛树脂，将预浸了酚醛树脂的植物纤维纸及其模压形成的帽型结构在U型模具表面按[P/C(0°)/P/C(0°)/P/C(0°)/P]的顺序逐层组合，在烘箱中对组合体进行固化，即可得到整体厚度为2.95mm的U型复合材料结构。

实施例6：

采用名义厚度为0.1mm木浆纤维纸模压帽型结构，粘结制备5层筒型复合材料结构，其具体步骤如下：

(1)准备预浸纸：名义厚度为0.1mm的木浆纤维纸，采用酚醛树脂按重量百分比为百分之七预浸并固化，获得预浸纸(用“P”代替)。

(2)辊压制备帽型结构，帽型结构(用“C”代替)的名义厚度为0.1毫米，帽型结构的高度为0.25mm，帽顶宽0.75mm，帽顶与侧边的夹角为65°，共制备5张这样的初级增刚片材。

(3)制备筒型复合材料结构，在帽型结构的帽顶刷涂酚醛树脂，将预浸了酚醛树脂的植物纤维纸及其模压形成的帽型结构在U型模具表面按[P/C(0°)/P/C(0°)/P/C(0°)/P/C(0°)/P/C(0°)/P]的顺序逐层组合，在烘箱中对组合体进行固化，即可得到整体厚度为1.9mm的筒型复合材料结构。

Claims (5)

1.一种帽型结构化的预浸纸片材及其叠层复合材料结构，其特征在于，该叠层复合材料结构的制备步骤如下：

(A)准备预浸纸(1)，预浸纸由干态的纸和预浸定型胶形成，预浸纸的名义压厚(4)为0.05毫米至0.2毫米，预浸纸(1)中定型胶的重量百分比为0.1～20％，定型胶为热固性树脂；

(B)制备帽型结构(3)，采用模压或辊压的方法将步骤(A)中的预浸纸压制成帽型结构(3)，帽型结构(3)的预浸纸厚度(5)为预浸纸名义压厚(4)的100％～50％，帽型结构(3)的高度(6)为其预浸纸厚度5的1倍至100倍，帽型结构(3)的帽顶宽(7)为其预浸纸厚度5的1倍至100倍，帽型结构(3)的帽顶与侧边的夹角(8)为30度至90度；

(C)制备叠层复合材料结构，将步骤(A)中形成的预浸料纸(1)和步骤(B)中形成的帽型结构(3)采用热固性树脂(2)粘接，热固性树脂(2)的厚度(9)为0.01毫米至0.1毫米；该叠层复合材料结构的顶层和底层为预浸纸(1)，其余部分为预浸纸(1)与帽型结构(3)的组合。

2.根据权利要求1所述的一种帽型结构化的预浸纸片材及其叠层复合材料结构，其特征在于，所述的叠层复合材料结构的顶层和底层中间为预浸纸(1)与帽型结构(3)的交替组合。

3.根据权利要求1所述的一种帽型结构化的预浸纸片材及其叠层复合材料结构，其特征在于，所述叠层复合材料结构中每层帽型结构的铺贴角度可以变化以调整叠层复合材料结构的整体刚度。

4.根据权利要求1所述的一种帽型结构化的预浸纸片材及其叠层复合材料结构，其特征在于，所述叠层复合材料结构的厚度不大于50毫米。

5.根据权利要求1所述的一种帽型结构化的预浸纸片材及其叠层复合材料结构，其特征在于，所述热固性树脂为：环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂，氰酸酯树脂或苯并噁嗪树脂。

Images