CN103552681A

CN103552681A - 一种复合材料接头耳片及其制备方法

Info

Publication number: CN103552681A
Application number: CN201310582771.1A
Authority: CN
Inventors: 秦永利; 祝颖丹; 范欣愉; 蔡晶; 熊鑫
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2033-11-19
Also published as: CN103552681B

Abstract

本发明公开了一种复合材料接头耳片的制备方法。该种复合材料接头耳片是根据耳片结构承载时的主应力轨迹来设计纤维的铺层，并且采用纤维对层间进行缝合。与现有技术中的层压式复合材料接头耳片相比，该种接头耳片具有承载能力强、无需裁剪、耐冲击、抗分层等优点；与现有技术中的三维编织复合材料接头耳片相比，该种接头耳片具有工艺技术难度较小，成本较低且适于批量生产等优点。使用该方法制备复合材料接头耳片，具有十分广阔的应用前景。

Description

一种复合材料接头耳片及其制备方法

技术领域

本发明涉及纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种复合材料接头耳片的制备方法。

背景技术

复合材料承力接头的设计和制备是现代飞行器实现先进技术性能以及有效降低结构重量的一项重要技术，在各类飞行器中有着重要的应用价值。

耳片连接件是飞机结构中重要的承力构件。耳片连接件虽然结构形式简单，但耳孔周围应力状态复杂，耳片极易产生破坏失效。传统的复合材料主承力接头是层压式结构。由于传统复合材料层合板的层间性能差、受到冲击后易损伤并且产生分层、机械钻孔后引起孔边应力集中而加速结构的破坏等缺点，造成了复合材料主承力接头难以研制。

近年来，出现了一种新型纤维增强复合材料——三维编织复合材料。层压复合材料层间脆弱的致命弱点在三维编织复合材料中得到克服。然而，虽然采用三维编织技术制备复合材料接头可以克服以上缺点，但三维编织工艺技术难度大，生产成本高，周期长，不适于批量生产。

因此，本领域尚缺乏一种工艺简单，生产成本低，适合批量生产的复合材料承力接头。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单，生产成本低，适合批量生产的复合材料承力接头。

本发明的第一方面，提供了一种复合材料接头耳片纤维预成型体，所述的纤维预成型体包括叠放在一起的一个或多个第一纤维层和一个或多个第二纤维层；

其中，所述的第一纤维层包括一个或多个第一耳孔区，以及与所述第一耳孔区邻接的第一耳片区，其中，所述的第一耳孔区具有中心与耳孔中心重合且大致形状呈半圆形或半椭圆形的环向纤维轨迹；

所述的第二纤维层包括一个或多个第二耳孔区，以及与第二耳孔区邻接的第二耳片区，其中，所述的第二耳孔区具有位于所述耳孔外侧且其延伸线与耳孔中心相交的径向纤维轨迹。

在另一优选例中，所述的第一耳孔区的大致形状与第二耳孔区的大致形状一致或基本一致。

在另一优选例中，所述第一纤维层的总体形状与纤维预成型体形状相同或相似。

在另一优选例中，所述的第二纤维层的纤维轨迹和/或总体形状与纤维预成型体形状相似或相同。

在另一优选例中，所述的径向纤维轨迹垂直于耳孔轮廓。

在另一优选例中，所述的垂直表示径向纤维轨迹与耳孔轮廓相交点处切线的夹角为75-90度，较佳地为80-90度。

在另一优选例中，所述的纤维轨迹的中心与耳孔中心重合指所述的纤维中心位于以耳孔中心为圆心，耳孔半径R1的1/10为半径的圆内。

在另一优选例中，所述的延伸线与耳孔中心相交指所述的延伸线穿过以耳孔中心为圆心，耳孔半径R1的1/10为半径的圆。

在另一优选例中，每层纤维层中，纤维轴分布的线密度通常为3-50根纤维轴/cm，较佳地为5-25根纤维轴/cm。

在另一优选例中，每个纤维层的经向纤维轨迹的取向可以相同，可以不同。例如，第一层取向45度，第二层取向-45度。

在另一优选例中，所述的纤维轴可以为直线、曲线，或其组合。

在另一优选例中，所述的第一耳片区具有与耳片底部相平行或垂直的第一耳片纤维轨迹；且

所述的第二耳片区具有与第一耳片纤维轨迹相垂直的第二耳片纤维轨迹。

在另一优选例中，所述的纤维轴在各个纤维层的各个位置具有相同或基本相同的分布密度。

在另一优选例中，所述的纤维轴在各个纤维层的各个位置具有不同的分布密度。

在另一优选例中，所述的第一耳片层具有如附图1所示的形状和/或纤维走向。

在另一优选例中，所述的第二耳片层具有如附图2所示的形状和/或纤维走向。

在另一优选例中，所述的第一纤维层的纤维轨迹与所述的第二纤维层的纤维轨迹相交；较佳地，所述的第一纤维层的纤维轨迹与所述的第二纤维层的纤维轨迹垂直或基本垂直。

在另一优选例中，所述的基本垂直指纤维轨迹之间的夹角≥45°。

在另一优选例中，所述的纤维预成型体的第一纤维层数量和第二纤维层数量根据制件的设计载荷进行设计。

在另一优选例中，所述的纤维预成型体由1-20层第一纤维层和1-20层第二纤维层组成，更佳地由1-10层第一纤维层和1-10层第二纤维层组成，最佳地由1-5层第一纤维层和1-5层第二纤维层组成。

在另一优选例中，所述纤维预成型体至少由1层第一纤维层和1层第二纤维层组成。

在另一优选例中，在所述的纤维预成型体中，所述的第一纤维层和所述的第二纤维层的数量是相同的。

在另一优选例中，在所述的纤维预成型体中，所述的第一纤维层和所述的第二纤维层的数量是不同的。

在另一优选例中，所述的第一纤维层的纤维轴如图1所示。

在另一优选例中，所述的第二纤维层的纤维轴如图2所示。

在另一优选例中，所述的各个纤维层每层由1-20根纤维丝束组成，较佳地由1-10根纤维丝束组成，更佳地由1-5根纤维丝束组成，最佳地由一根纤维丝束组成。

在另一优选例中，所述的纤维预成型体整体由一根纤维丝束组成。

在另一优选例中，所述的纤维丝束是一根或多根纤维组成的纤维组。

在另一优选例中，各纤维层通过缝合纤维固定在缝合底线上。

在另一优选例中，所述的缝合纤维的走向为垂直或基本垂直穿过各纤维层，并穿过缝合底线从而固定在缝合底线上。

在另一优选例中，所述的各纤维层通过缝合纤维固定在基材或底材上。

在另一优选例中，所述的纤维丝束中包括增强纤维，优选地，所述的增强纤维包括选自下组的纤维：碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维，或其组合。

在另一优选例中，所述的增强纤维是预浸树脂的增强纤维。

在另一优选例中，所述的增强纤维是未浸树脂的增强纤维。

在另一优选例中，所述的树脂是热塑性树脂或热固性树脂。

在另一优选例中，所述的纤维丝束中还包括热塑性纤维。

在另一优选例中，所述的纤维丝束或者为增强纤维和热塑性纤维组成的混杂纤维。

在另一优选例中，所述的热塑性纤维为结晶形或无定形树脂纤维，较佳地，所述的热塑性树脂纤维选自下组：聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚乳酸、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮，或其组合。

本发明的第二方面，提供了一种复合材料接头耳片，所述的耳片包括如本发明第一方面所述的纤维预成型体；或所述的耳片由本发明第一方面所述的纤维预成型体通过成型工艺制得。

在另一优选例中，所述的接头耳片的形状和大小与所述纤维预成型体一致或基本一致。

在另一优选例中，所述的纤维预成型体中的各个纤维轴走向与接头耳片的主应力方向一致或基本一致。

本发明的第三方面，提供了一种如本发明第二方面所述的耳片的制备方法，所述方法包括步骤：

提供一如本发明第一方面所述的纤维预成型体；

将所制得的纤维预成型体置入目标产品的模具中，通过成型工艺制得所述的耳片。

在另一优选例中，所述方法还包括：对所述的纤维预成型体进行纤维走向优化。

在另一优选例中，所述的优化过程包括：对所述部件进行受力分析，确定所述部件主要承受载荷的方向和大小，并结合部件的几何形状及尺寸大小设计纤维预成型体，使纤维预成型体的纤维走向与部件的受力承载方向一致或基本一致，形状、大小、厚度与部件相匹配。

在另一优选例中，所述的成型工艺选自下组：复合材料液体模塑成型工艺、热压罐成型工艺、热压成型工艺，或其组合。

在另一优选例中，当所述的纤维预成型体中不包括热塑性纤维时，所述的成型工艺为复合材料液体模塑成形工艺、热压罐成型工艺，或其组合。

在另一优选例中，当所述的纤维预成型体中包括热塑性纤维时，所述的成型工艺为热压成型工艺。

本发明的第四方面，提供了一种复合材料制件，所述的制件包含有如本发明第二方面所述的复合材料耳片。

在另一优选例中，所述制件选自下组：飞机平尾升降舵接头、飞机方向舵悬挂接头、飞机减速板接头、飞机垂尾的主承力接头等。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1是接头耳片第一纤维层的纤维铺层轨迹1；

图2是接头耳片第二纤维层的纤维铺层轨迹2；

图3是接头耳片纤维预成型体的纤维轨迹图(俯视图)；

图4是纤维预成型体的缝合示意图；

图5是对比例1和实施例1中的制件设计示意图(图中单位：mm)。

具体实施方式

本发明人经过长期而深入的研究，首次意外发现接头耳片的制备方法，能够采用纤维丝束直接制备接头耳片，避免开口部位打断纤维，具有轻质高强、节能环保、成本低下、成型效率高等优点，可实现批量化连续自动化生产，具有十分广阔的应用前景。在此基础上，发明人完成了本发明。

术语

如本文所用，术语“纤维层”、“纤维铺层”与“纤维预制铺层”可互换使用，均指一层第一纤维层或一层第二纤维层。

术语“接头耳片”和“耳片接头”、可以互换使用，复合材料接头耳片属于复合材料连接接头的范畴，由于该种接头外形像耳片，故称为“接头耳片”或“耳片接头”。耳片连接件是飞机结构中重要的承力构件，如飞机平尾升降舵接头、飞机方向舵悬挂接头、飞机减速板接头、飞机垂尾的主承力接头等。

术语“耳孔”指接头耳片上的开孔，用于伸入紧固件并与其他部件连接。

术语“(第一/第二)耳孔区”指纤维层中，位于耳孔周围且环绕或部分环绕耳孔的区域，可以是环状(如圆环、椭圆环、方形环)等，也可以是半环状(如半圆环、半椭圆环、半方形环)等。在本发明中，优选的耳孔区的半径(耳孔中心到预成型体顶点的距离R-耳孔的半径r)R’的长度为2cm≤R’≤10cm。在本发明的优选例中，在纤维层中，可以有一个或多个(第一/第二)耳孔区。

术语“纤维轴”指在各纤维层中，单根纤维丝束在单一走向上所形成的纤维轨迹。

纤维丝束

如本文所用，术语“纤维丝束”指一根或多根纤维组成的纤维组，其中，组成纤维丝束的各纤维的长度可相同或相近。本发明中，优选的纤维丝束包括至少一根增强纤维。

所述的纤维丝束中包括增强纤维，优选地，所述的增强纤维包括选自下组的纤维：碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维，或其组合。

在另一优选例中，所述的增强纤维是预浸树脂的增强纤维。

在另一优选例中，所述的增强纤维是未浸树脂的增强纤维。

在另一优选例中，所述的树脂是热塑性树脂或热固性树脂。

在另一优选例中，所述的纤维丝束中还包括热塑性纤维。

纤维预成型体

本发明提供了一种复合材料接头耳片纤维预成型体，所述的纤维预成型体包括迭放在一起的一个或多个第一纤维层和一个或多个第二纤维层。

所述的第一纤维层包括一个或多个第一耳孔区，以及与耳孔区邻接的第一耳片区，其中，所述的第一耳孔区具有中心与耳孔中心重合，且大致形状呈半圆形或半椭圆形的环向纤维轨迹；如，在本发明的一个优选例中，所述的第一耳片层具有如附图1所示的形状和/或纤维走向。

所述的第二纤维层包括一个或多个第二耳孔区，以及与耳孔区邻接的第二耳片区，其中，所述的第二耳孔区具有垂直于耳孔切线，且其延伸线与耳孔中心相交的径向纤维轨迹；如，在本发明的另一优选例中，所述的第二耳片层具有如附图2所示的形状和/或纤维走向。

所述的第一耳孔区的大致形状与第二耳孔区的大致形状一致或基本一致，于相互迭放时形成纤维预成型体的耳孔。

在另一优选例中，所述第一纤维层和第二纤维层的的总体形状与纤维预成型体形状相同或相似。

用于构成所述的各纤维层的纤维丝束数量不限，如可以是每层由1-100根纤维丝束构成，较佳地由1-20根纤维丝束构成，更佳地由1-5根纤维丝束构成，最佳地由1根纤维丝束构成。

在各纤维层中，所述的耳片区的纤维轨迹没有特别的限制，优选的第一耳片区具有与耳片底部相平行的纤维轨迹；优选的第二耳片区具有与耳片底部相垂直的纤维轨迹。

所述的纤维轴在各个纤维层的分布方式可以是任意的，如在本发明的一个优选例中，所述的纤维轴在各个纤维层的各个位置具有相同或基本相同的分布密度。在另一优选例中，所述的纤维轴在各个纤维层的各个位置具有不同的分布密度。优选地，在纤维预成型体的设计受力较大的部位，纤维轴的分布密度可以适当增大。

优选地，所述的第一纤维层的纤维轨迹与所述的第二纤维层的纤维轨迹相交；更佳地，所述的第一纤维层的纤维轨迹与所述的第二纤维层的纤维轨迹垂直或基本垂直。

优选地，所述的纤维预成型体的第一纤维层数量和第二纤维层数量根据制件的设计载荷，设计尺寸等因素进行调整。在另一优选例中，所述的纤维预成型体由1-20层第一纤维层和1-20层第二纤维层组成，更佳地由1-10层第一纤维层和1-10层第二纤维层组成，最佳地由1-5层第一纤维层和1-5层第二纤维层组成。

所述的纤维预成型体的层数可以根据制件的大小、厚度及受力情况而改变。在本发明中，所述纤维预成型体具有的第一纤维层数和第二纤维层数可以相同或不同。较佳地，可以根据纤维预成型体的设计受力情况决定第一纤维层数和第二纤维层数，如：两层第一纤维层和两层第二纤维层，或三层第一纤维层和三层第二纤维层等。其中，第一纤维层和第二纤维层的叠放方式可以是任意的，如可以是“第一纤维层→第二纤维层→第一纤维层”，或者“第一纤维层→第一纤维层→第二纤维层→第一纤维层”等。

在另一优选例中，所述的缝合纤维的走向为垂直或基本垂直穿过各纤维层，穿过缝合底线并固定在缝合底线上。

复合材料接头耳片

本发明还提供了一种复合材料接头耳片，所述的耳片包括上述的纤维预成型体。其中，所述的纤维预成型体可以是预制的纤维预成型体，如市售的纤维预成型体；或现制的，如根据所需的复合材料接头耳片大小和形状所设计的纤维预成型体。

优选地，所述的汽车开口部件是所述的纤维预成型体通过复合材料成型工艺制备的，如液体模塑成型工艺、热压罐成型工艺、热压成型工艺等。所述的成型工艺可以是任意现有技术中的复合材料成型工艺，如，在本发明的优选例中，当所述的纤维预成型体中不包括热塑性纤维时，所述的成型工艺为复合材料液体模塑成形工艺、热压罐成型工艺，或其组合；在另一优选例中，当所述的纤维预成型体中包括热塑性纤维时，所述的成型工艺为热压成型工艺。

在另一优选例中，所述部件通过包括以下步骤的方法制备：

根据部件的形状、大小以及受力情况制备纤维预成型体；

将所制得的纤维预成型体置入目标产品的模具中，通过复合材料成型工艺制得所述的部件。

在另一优选例中，对所述的纤维预成型体进行纤维走向优化。优选的所述优化过程包括：对所述部件进行受力分析，确定所述部件主要承受载荷的方向和大小，并结合部件的几何形状及尺寸大小设计纤维预成型体，使纤维预成型体的纤维走向与部件的受力承载方向一致或基本一致，形状、大小、厚度与部件相匹配。

所述的耳片可以用于一系列复合材料制件中，如飞机平尾升降舵接头、飞机方向舵悬挂接头、飞机减速板接头、飞机垂尾的主承力接头等

与现有技术相比，本发明提供的复合材料接头耳片具有如下优点：

(1)接头耳片的纤维轨迹接近复合材料制件承载时的主应力轨迹，承载性能优异。

(2)接头耳片层间通过纤维缝合，耐冲击、抗分层能力强。

(3)接头耳片可设计性强，可根据接头耳片的形状和大小，灵活设计接头耳片的尺寸。

(4)接头耳片由纤维铺放而成，无需裁剪，无纤维浪费。

(5)接头耳片的设计和制备相对简单，设计周期短，有利于批量化生产，降低成本。

(6)接头耳片成型工艺简单灵活，既可以与其它复合材料主体结构一起成型，也可以单独成型。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。

对比实施例1：

本实施例中，首先制备如图5所示的尺寸的碳纤维/环氧复合材料接头耳片试样。

原材料：碳纤维平纹布，Toray T700，480g/㎡，日本东丽公司；环氧树脂体系，爱波特环氧树脂167A，固化剂167B，质量配比167A：167B=5:1，广州市博汇合成树脂有限公司。

制备方法如下：

步骤1：采用真空辅助树脂注射成型工艺(Vacuum Assisted Resin Infusion,简称VARI)制备成碳纤维/环氧复合材料层合板，采用16层纤维布。固化条件为90℃，0.5h，然后150℃后固化1h。

步骤2：将制得的碳纤维复合材料层合板切割成图5所示尺寸的接头耳片试样。

将上述制得的接头耳片试样在万能试验机上进行拉伸测试得到极限拉伸载荷。

实施例1：

本实施例中，碳纤维/环氧复合材料接头耳片试样的形状大小以及原材料与对比实施例1完全相同。所不同的是，对比实施例中采用的是碳纤维平纹布，而实施例中采用的是碳纤维丝束，所用碳纤维规格一样，均为Toray公司生产的T700碳纤维。

上述碳纤维/环氧复合材料接头耳片试样的制备方法如下：

步骤1：采用有限元分析软件按图5所示尺寸建立接头耳片模型，进行受力分析得到耳片结构的主应力分布情况，并用相关软件描绘得到接头耳片的主应力轨迹，如图1和图2所示。然后将其连成连续的整体，形成复合材料接头耳片的纤维铺放轨迹，如图3所示。

步骤2：按步骤1所设计的纤维轨迹制备相应的纤维预成型体铺层。

步骤3：根据接头耳片制件的厚度要求，确定使用步骤2所制备的纤维预成形体铺层的数目为6层。将纤维预成形体铺层重叠，采用纤维在厚度方向进行缝合制备成复合材料接头耳片的纤维预成型体，如图4所示。

步骤4：采用复合材料成型技术将步骤3所得的纤维预成型体制备成复合材料接头耳片制件。

复合材料接头耳片试样	极限拉伸载荷(kN)
		实施例1	71.5
对比实施例1	26.3

从表中数据可知，实施例中的复合材料接头耳片试样的极限拉伸载荷相对于对比实施例1中的接头耳片试样提高了172%。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种复合材料接头耳片纤维预成型体，其特征在于，所述的纤维预成型体包括叠放在一起的一个或多个第一纤维层和一个或多个第二纤维层；

2.如权利要求1所述的纤维预成型体，其特征在于，所述的第一耳片区具有与耳片底部相平行或垂直的第一耳片纤维轨迹；且

3.如权利要求1所述的纤维预成型体，其特征在于，所述的第一纤维层的纤维轨迹与所述的第二纤维层的纤维轨迹相交；较佳地，所述的第一纤维层的纤维轨迹与所述的第二纤维层的纤维轨迹垂直或基本垂直。

4.如权利要求1所述的纤维预成型体，其特征在于，所述的各个纤维层每层由1-20根纤维丝束组成，较佳地由1-10根纤维丝束组成，更佳地由1-5根纤维丝束组成，最佳地由一根纤维丝束组成。

5.如权利要求1所述的纤维预成型体，其特征在于，所述的纤维丝束中包括增强纤维，优选地，所述的增强纤维包括选自下组的纤维：碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维，或其组合。

6.如权利要求5所述的纤维预成型体，其特征在于，所述的纤维丝束中还包括热塑性纤维。

7.一种复合材料接头耳片，其特征在于，所述的耳片包括如权利要求1-6任一所述的纤维预成型体；或所述的耳片由权利要求1-6任一所述的纤维预成型体通过成型工艺制得。

8.如权利要求7所述的耳片的制备方法，其特征在于，包括步骤：

提供一如权利要求1-6任一所述的纤维预成型体；

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述的成型工艺选自下组：复合材料液体模塑成型工艺、热压罐成型工艺、热压成型工艺，或其组合。

10.一种复合材料制件，其特征在于，所述的制件包含有如权利要求7所述的复合材料耳片。