CN104015407B - 一种曲面复合材料点阵结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲面复合材料点阵结构及其制备方法。本发明采用打捻的纤维束制备点阵芯子的纤维束单体，通过控制纤维束单体成型模具的圆角的曲率半径、重量轮的配比配重以及纤维束的捻度，减小了点阵芯子在成型过程中发生破坏的几率，有效地提高了纤维束单体成型后的力学性能；其次，可以实现具有复杂曲面的点阵结构的加工；再次，通过对加强点与面板连接面的细致设计，使得纤维束单体与面板直接连接的质量提高，提高了点阵纤维束单体与面板的粘接质量，从而提高了点阵结构的抗剪切的性能；最后，通过设计纤维束单体成型模具，合理的调节成型曲率半径、纤维束捻度等参数，可以制备出具有复杂曲面形状的点阵结构，且可以实现大规模生产。

Description

一种曲面复合材料点阵结构及其制备方法

技术领域

本发明属于工程结构领域，尤其涉及一种适用于曲面复合材料点阵结构及其制备方法。

背景技术

点阵结构是一种微结构有序的多孔材料，以其微观结构与晶体点阵结构类似而得名。可以通过对点阵结构微结构的构型设计实现高比刚度、比强度的优点，在一定的结构承载力下节省大量的材料，减轻结构本身的质量。同时由于点阵结构具有孔隙率很大的特点，可以利用点阵结构的空隙储油、布线、填充功能材料等，实现点阵结构的多功能化。目前常见的点阵结构从材料上说，分为金属点阵结构和复合材料点阵结构，金属点阵结构的制造工艺已经十分完善，包括熔模铸造法、变形成型法、金属丝编织法、金属丝搭接组装法等，针对不同的点阵结构构型皆有相适宜的制造方法。复合材料由于本身的较金属材料的高比强度、比模量，以及各向异性，使得复合材料点阵结构比金属点阵复合材料有更优异的性能和可设计性。然而，复合材料点阵结构的制备工艺相对复杂，人们已提出了一体化成型工艺和二次成型工艺。一体化成型工艺可以解决点阵芯子与复合材料面板的粘结强度问题，但其制备过程过于依赖手工操作，不易实现自动化；二次成型工艺易于实现自动化，但其点阵芯子单体之间采用粘结的方式相互结合，由点阵芯子单体相互结合得到的点阵芯子与复合材料面板间实现粘结的面积较小，因此点阵芯子与面板间的粘结强度较低，使得复合材料点阵结构的剪切强度低。早在2010年哈尔滨工业大学吴林志等人提出含有连接加强的点阵结构，并提出了纤维束相互交叉的“十”字嵌锁式生产工艺。解决了点阵结构芯子和面板粘接面积过小的问题，详见申请号为201010202993和201010202995专利。但是“十”字嵌锁式工艺只适用于平板结构，对有曲率半径要求的点阵壳体结构，可操作性差，工艺实施困难。首先，“十”字嵌锁式的制备工艺要求在制备点阵纤维束单体时，纤维束的走向是沿着平行于平板对角线方向铺设的，然而对于不规则的曲面没有确定的对角线方向，导致在制备点阵纤维束单体时纤维束没有确定的铺设方向，制备较难；其次，“十”字嵌锁式工艺制备点阵纤维束单体时，为了提高效率不同走向的纤维束采用十字交叉固化的工艺，对于一些曲率半径较小的曲面板，在纤维束交叉的地方容易发生不同方向的纤维束无法汇集与一点，导致点阵结构力学性能下降。综上所述，“十”字嵌锁式工艺对于小曲率半径或不规则曲面的制备存在一定的局限性。

由于点阵结构是中空的结构，通过在空腔中填充各种功能材料，以此实现多功能轻量化的目的，例如耐火/承载一体化的功能，隐身/承载一体化的功能，防护/承载一体化的功能。因此，点阵材料被广泛的应用于航空、航天、航海等领域。然而，在某些应用场合，要求点阵结构具有一定的曲面，例如，天线罩、飞机机翼的蒙皮等，且这些曲面往往都是结构比较复杂的空间曲面，这就使得作为承载或者保护外壳的点阵结构具有一定的曲面结构。目前，针对点阵平板的制备工艺方法较多，但对于具有曲面特征的点阵结构的制备方法却很少，而且仅限于具有规则曲面的点阵结构的制备，并且这些工艺方法均受到曲面结构和规模化生产的限制。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种曲面复合材料点阵结构的制备方法，可以较好地解决曲面结构和规模化生产对点阵结构制备的限制。

本发明的一个目的在于提供一种曲面复合材料点阵结构。

本发明的曲面复合材料点阵结构包括：点阵芯子、外面板和内面板；其中，外面板和内面板均采用复合材料；点阵芯子包括纤维束单体和加强点，纤维束单体通过加强点分别固定在外面板和内面板上；纤维束单体为具有曲率的三角波形；按照实物外形的需要，点阵芯子的纤维束单体，以及外面板和内面板分别具有相应的曲率半径；三角波形的纤维束单体在拐点处为具有一定曲率半径的圆角；三角波形的外拐点所在的曲面的曲率半径与外面板的内表面相同，三角波形的内拐点所在的曲面的曲率半径与内面板的外表面相同；相邻的两根纤维束单体一侧的相对应的拐点处采用加强点连接，构成一个加强点连接4个纤维束杆，形成四棱锥形。

三角波形的纤维束单体，拐点处的圆角的曲率半径为R3，纤维束抗弯刚度与纤维束捻度之间的关系由下式(1)给出，成型时的纤维束捻度和配比重量与圆角的曲率半径R3的最小值之间的关系，满足下式(2)：

EI＝21682+0101X(1)

$R3=\frac{{\mathrm{GL}}^3}{3\left(\mathrm{EI}\right)\sin \mathrm{\θ}(1-\cos \mathrm{\θ})}---\left(2\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{180\·l}{\mathrm{\πR}}---\left(3\right)$

其中，G为配比重量，kg；L为打捻纤维束的长度，m；R3为模具的圆角的曲率半径，m；l为打捻纤维束与圆角的曲率半径为R3的模具接触的弧长，m；X为纤维束的捻度，捻/10cm；E为纤维束轴向的弹性模量，Pa；I为纤维束的转动惯量，m⁴；θ为曲率半径所对应的圆心角，弹性模量与转动惯量的乘积EI为纤维束抗弯刚度。

本发明的另一个目的在于提供一种曲面复合材料点阵结构的制备方法。

本发明的曲面复合材料点阵结构的制备方法，包括以下步骤：

1)根据实际需要设计纤维束单体、外面板和内面板的曲率半径，并分别根据外面板和内面板的曲率半径设计加强点制备模具的曲率半径；

2)根据纤维束捻度与纤维束抗弯刚度之间的关系，建立三角波形的纤维束单体在拐点处的圆角的曲率半径的最小值与捻度、配比重量之间的关系，并且据此设计纤维束单体成型模具的曲率半径，以及成型时的进给速度和配比重量；

3)按照步骤1)中设计的曲率半径分别制备外面板、内面板和加强点制备模具；

4)按照步骤2)中设计的纤维束捻度，把纤维束按照一个方向打捻；

5)打捻好的纤维束浸满树脂；

6)固定纤维束单体成型模具的下模，在打捻好的纤维束的一端按照步骤2)中设计的进给速度和配比重量悬挂重量轮，纤维束单体成型模具的上模向下运动与下模合模，通过上模和下模之间的夹持力，对纤维束成型，形成具有一定曲率半径的三角波形的纤维束单体；

7)将成型的两根纤维束单体的一侧的相对应的拐点，同时放在一个加强点制备模具的盲孔里，并在加强点制备模具的盲孔中注入高分子聚合物，固化形成加强点，将两个纤维束单体连接，点阵芯子成型后调节温度，去除加强点制备模具，形成点阵芯子；

8)点阵芯子通过加强点分别与外面板和内面板连接，形成具有曲面的复合材料点阵结构。

其中，在步骤1)中，点阵结构根据实际需要，内面板、外面板、纤维束单体以及加强点分别具有一定的曲率半径，因此加强点制备模具的盲孔的底面也要设计成相应的曲面。连接外面板的加强点的曲率半径与外面板的内表面相同，连接内面板的加强点的曲率半径与内面板的外面板相同，因此连接外面板的加强点制备模具，盲孔的曲率半径与外面板的内表面一样；同理，连接内面板的加强点制备模具，盲孔的曲率半径与内面板的外表面一样。纤维束单体为三角波形，三角波形的外拐点所在的曲面的曲率半径与外面板的内表面相同；三角波形的内拐点的曲面的曲率半径与内面板的外表面相同。

在步骤2)中，纤维束单体成型模具包括齿合的上模和下模，表面的形状与纤维束单体的形状相对应为三角波形，并在拐点处为具有一定曲率半径的圆角。三角波形的外拐点所在的曲线的曲率半径为R1，内拐点所在的曲线的曲率半径为R2，拐点处的圆角的曲率半径为R3。成型时的纤维束捻度和配比重量与圆角的曲率半径R3的最小值之间的关系，满足下式：

EI＝21682+0101X(1)

$R3=\frac{{\mathrm{GL}}^3}{3\left(\mathrm{EI}\right)\sin \mathrm{\θ}(1-\cos \mathrm{\θ})}---\left(2\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{180\·l}{\mathrm{\πR}}---\left(3\right)$

其中，E为纤维束轴向的弹性模量，Pa；I为纤维束的转动惯量，m⁴；G为配比重量，kg；L为三角波形的纤维束单体的一个周期的长度，m；R3为模具的圆角的曲率半径，m；l为打捻纤维束与圆角的曲率半径为R3的模具接触的弧长，m；X为纤维束的捻度，捻/10cm；θ为曲率半径所对应的圆心角。弹性模量与转动惯量的乘积EI为纤维束抗弯刚度，纤维束抗弯刚度与纤维束捻度之间的关系由式(1)给出；在捻度X一定时，配比重量和圆角的曲率半径R3的最小值满足式(2)。当三角波形的拐点处过度的圆角较小时，纤维束在最后成型的过程中会在该处产生损伤，因此，本发明建立了纤维束捻度、纤维束抗弯刚度、配比重量与圆角的曲率半径的最小值之间的关系，通过有效的计算选择合适的极限的曲率半径作为圆角的曲率半径，可以减小纤维束在成型过程中发生损伤的几率，提高点阵结构的力学性能。

在步骤4)中，把纤维束打捻，提高纤维束的抗弯刚度和抗压缩刚度。

在步骤6)中，采用热压工艺或RTM工艺制备纤维束单体，并脱模。

在步骤7)中，两根纤维束单体的一侧的相对应的拐点由加强点固定，相邻的两根纤维束单体之间的夹角具有可设计性，夹角在30°～70°之间，通过合理的设计可以生产具有一定曲率半径的圆筒壳体结构，扩大了连接加强的点阵结构的生产领域。利用消失模法，有利于规模化大批量生产，提高效率。当点阵芯子成型后，将温度调节至加强点制备模具的熔点。加强点的材料采用力学性能好并且有粘性的高分子聚合物，如树脂。因此，加强点制备模具的材料的熔点小于加强点的材料的熔点，当点阵芯子成型后，将温度调节至加强点制备模具的熔点即可。

本发明同样适用于制备平板的复合材料点阵结构，当曲率为零时，就是平板复合材料点阵结构。

本发明的优点：

首先，本发明采用打捻的纤维束制备点阵芯子的纤维束单体，通过控制纤维束单体成型模具的圆角的曲率半径、重量轮的配比配重以及纤维束的捻度，减小了点阵芯子在成型过程中发生破坏的几率，有效地提高了纤维束单体成型后的力学性能；而且打捻的纤维束有效地提高了纤维束单体的抗弯刚度。其次，在纤维束单体的制备的过程中，对纤维束的走向没有过多的要求，因此，可以实现具有复杂曲面的点阵结构的加工。再次，采用消失模法，通过对加强点与面板连接面的细致设计，使得纤维束单体与面板直接连接的质量提高，且加强点也增大了粘结面积，这些方法均提高了点阵纤维束单体与面板的粘接质量，从而提高了点阵结构的抗剪切的性能。最后，通过设计纤维束单体成型模具，合理的调节成型曲率半径、纤维束捻度等参数，可以制备出具有复杂曲面形状的点阵结构，且可以实现大规模生产。

附图说明

图1为本发明的曲面复合材料点阵结构的示意图；

图2为本发明的曲面复合材料点阵结构的纤维束单体成型过程的示意图；

图3为本发明的纤维束单体成型模具的示意图，其中，(a)为制备纤维束单体的曲率半径较大的模具，(b)为制备纤维束单体的曲率半径较小的模具；

图4为本发明的加强点制备模具的结构示意图，其中，(a)为立体图，(b)为剖面图；

图5为本发明的相邻的两个纤维束单体采用加强点连接的示意图；

图6为本发明的点阵芯子的结构示意图；

图7为本发明的曲率为零的复合材料点阵结构的示意图；

图8为本发明的筒状壳体的曲面复合材料点阵结构的示意图，其中，(a)为点阵芯子粘接内面板的示意图，(b)为点阵芯子与内面板和外面板粘接的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例中制备一个承力筒，是一个筒状壳体的曲面复合材料点阵结构，包括：点阵芯子3、外面板1和内面板2；其中，外面板1和内面板2均采用复合材料；点阵芯子包括纤维束单体31和加强点32，纤维束单体通过加强点分别固定在外面板和内面板上；纤维束单体为具有曲率的三角波形。点阵芯子的纤维束单体的外拐点所在的曲面和内拐点所在的曲面，以及外面板和内面板分别为同轴的圆筒形。三角波形的纤维束单体在拐点处为具有一定曲率半径的圆角。三角波形的外拐点所在的曲面的曲率半径与外面板的内表面相同；三角波形的内拐点所在的曲面的曲率半径与内面板的外表面相同。

纤维束成型的过程如图2所示，包括纤维束打捻装置、树脂浸泡池01、纤维束单体成型模具02和重量轮03；纤维束打捻装置将纤维束打捻，打捻的纤维束的一端悬挂重量轮03经过树脂浸泡池01后，经过纤维束单体成型模具02，上模021向下运动与下模022合模，通过上模和下模之间的夹持力，对纤维束成型。

如图3所示，纤维束单体成型模具02包括齿合的上模021和下模022，对于曲面的点阵结构，上模和下模分别具有一定的曲率半径，并且表面为三角波形，三角波形的外拐点所在的曲线的曲率半径为R1，内拐点所在的曲线的曲率半径为R2，拐点处的圆角的曲率半径为R3。R1与外面板的内表面的曲率半径相同，R2与内面板的外表面的曲率半径相同。其中(a)为制备纤维束单体的曲率半径较大的模具，(b)为制备纤维束单体的曲率半径较小的模具。

如图4所示，采用消失模法制备加强点，由于外面板和内面板分别具有一定的曲率半径，相应地加强点与面板的接触面也具有一定的曲率半径R4，因此，加强点制备模具的盲孔的底面也要设计成相应的曲面。其中，(a)为立体图，(b)为剖面图。制备连接外面板的加强点的加强点制备模具，各个盲孔的底面所在的曲面的曲率半径与纤维束单体的外拐点所在的曲面的曲率半径相同；同理，制备连接内面板的加强点的加强点制备模具，各个盲孔的底面所在的曲面的曲率半径与纤维束单体的内拐点所在的曲面的曲率半径相同。

本实施例的筒状壳体的曲面复合材料点阵结构的制备方法，包括以下步骤：

1)根据实物外形设计纤维束单体、外面板和内面板的曲率半径，并分别根据外面板和内面板的曲率半径设计加强点制备模具的曲率半径；图1中的筒状壳体的曲面复合材料点阵结构，外面板的规格为Φ700×6；内面板的规格为Φ640×6，因此纤维束单体的高度为30mm，在设计纤维束单体成型模具时，R2为320mm，R1为344mm；与外面板粘接的加强点制备模具的盲孔的曲率半径R4为344mm；与内面板粘接的加强点制备模具的盲孔的曲率半径R4为320mm；加强点制备模具的盲孔的直径为10mm；

2)根据曲率半径的要求设计对纤维束打捻的捻度，并设计对纤维束单体成型模具的曲率半径，模具包括齿合的上模和下模，根据纤维束抗弯刚度的需要，纤维束的捻度X为100捻/m，L为42.4mm；根据公式计算，圆角的曲率半径R3的最小值与配比重量之间的关系为：

G＝0.89R3sinθ(1-cosθ)

对于圆角的曲率半径R3为5mm，则G为1kg～4.45kg；

3)按照步骤1)中设计的曲率半径分别制备外面板、内面板和加强点制备模具；

4)按照设计好的捻度，把纤维束按照一个方向打捻；

5)打捻好的纤维束浸满树脂；

6)固定纤维束单体成型模具的下模，在打捻好的纤维束的一端按照步骤2)中设计的进给速度和配比重量悬挂重量轮，上模向下运动与下模合模，通过上模和下模之间的夹持力，对纤维束成型，如图2所示，形成具有一定曲率半径的三角波形的纤维束单体；

7)将成型的两根纤维束单体的一侧的相对应的拐点，同时放在一个加强点制备模具的盲孔里，并在加强点制备模具的盲孔中注入树脂，固化树脂形成加强点，将两个纤维束单体连接，如图5所示，在本实施例中，为了提高模具的可雕刻性和经济性，采用石蜡作为模具材料，加强点制备模具材料的熔点小于树脂基体玻璃态转变温度，在点阵芯子成型后，加热至60℃，将模具融化掉，完成点阵芯子的加工，如图6所示；

8)点阵芯子通过加强点分别与外面板和内面板连接，形成筒状壳体的曲面复合材料点阵结构，如图8所示。

本发明的制备方法同样适用于平板结构，当曲率为零时，得到平板的复合材料点阵结构，如图7所示。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种曲面复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

1)根据实际需要设计纤维束单体、外面板和内面板的曲率半径，并分别根据外面板和内面板的曲率半径设计加强点制备模具的曲率半径；

2)根据纤维束捻度与纤维束抗弯刚度之间的关系，建立三角波形的纤维束单体在拐点处的圆角的曲率半径的最小值与捻度、配比重量之间的关系，并且据此设计纤维束单体成型模具的曲率半径，以及成型时的进给速度和配比重量；

3)按照步骤1)中设计的曲率半径分别制备外面板、内面板和加强点制备模具；

4)按照步骤2)中设计的捻度，把纤维束按照一个方向打捻；

5)打捻好的纤维束浸满树脂；

6)固定纤维束单体成型模具的下模，在打捻好的纤维束的一端按照步骤2)中设计的进给速度和配比重量悬挂重量轮，纤维束单体成型模具的上模向下运动与下模合模，通过上模和下模之间的夹持力，对纤维束成型，形成具有一定曲率半径的三角波形的纤维束单体；

7)将成型的两根纤维束单体的一侧的相对应的拐点，同时放在一个加强点制备模具的盲孔里，并在加强点制备模具的盲孔中注入高分子聚合物，固化形成加强点，将两个纤维束单体连接，加强点成型后调节温度，去除加强点制备模具，形成包括纤维束单体和加强点的点阵芯子；

8)点阵芯子通过加强点分别与外面板和内面板连接，形成具有曲面的复合材料点阵结构。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，连接外面板的加强点制备模具，盲孔的曲率半径与外面板的内表面一样；连接内面板的加强点制备模具，盲孔的曲率半径与内面板的外表面一样。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，纤维束单体为三角波形，三角波形的外拐点所在的曲面的曲率半径与外面板的内表面相同；三角波形的内拐点的曲面的曲率半径与内面板的外表面相同。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，纤维束单体成型模具包括齿合的上模和下模，表面的形状与纤维束单体的形状相对应为三角波形，并在拐点处为具有一定曲率半径的圆角。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，三角波形的纤维束单体，拐点处的圆角的曲率半径为R3，纤维束抗弯刚度与纤维束捻度之间的关系由下式(1)给出，成型时的纤维束捻度和配比重量与圆角的曲率半径R3的最小值之间的关系，满足下式(2)：

EI＝2.682+0.01X(1)

$R3=\frac{{\mathrm{GL}}^3}{3\left(EI\right)sin\mathrm{\θ}(1-cos\mathrm{\θ})}---\left(2\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{180\·l}{\mathrm{\π}R}---\left(3\right)$

其中，G为配比重量，kg；L为三角波形的纤维束单体的一个周期的长度，m；R3为模具的圆角的曲率半径，m；l为打捻纤维束与圆角的曲率半径为R3的模具接触的弧长，m；X为纤维束的捻度，捻/10cm；E为纤维束轴向的弹性模量，Pa；I为纤维束的转动惯量，m⁴；θ为曲率半径所对应的圆心角，弹性模量与转动惯量的乘积EI为纤维束抗弯刚度。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤6)中，采用热压工艺或RTM工艺制备纤维束单体，并脱模。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤7)中，当点阵芯子成型后，将温度调节至加强点制备模具的熔点。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤7)中，加强点制备模具的材料的熔点小于加强点的材料的熔点。

9.一种曲面复合材料点阵结构，其特征在于，所述曲面复合材料点阵结构包括：点阵芯子(3)、外面板(1)和内面板(2)；其中，外面板(1)和内面板(2)均采用复合材料；点阵芯子(3)包括纤维束单体(31)和加强点(32)，纤维束单体(31)通过加强点(32)分别固定在外面板和内面板上；纤维束单体为具有曲率的三角波形；点阵芯子的纤维束单体，以及外面板和内面板分别具有相应的曲率半径；三角波形的纤维束单体在拐点处为具有一定曲率半径的圆角；三角波形的外拐点所在的曲面的曲率半径与外面板的内表面相同，三角波形的内拐点所在的曲面的曲率半径与内面板的外表面相同；相邻的两根纤维束单体一侧的相对应的拐点处采用加强点连接，构成一个加强点连接4个纤维束杆，形成四棱锥形。

10.如权利要求9所述的点阵结构，其特征在于，三角波形的纤维束单体，拐点处的圆角的曲率半径为R3，纤维束抗弯刚度与纤维束捻度之间的关系由下式(1)给出，成型时的纤维束捻度和配比重量与圆角的曲率半径R3的最小值之间的关系，满足下式(2)：

EI＝2.682+0.01X(1)

$R3=\frac{{\mathrm{GL}}^3}{3\left(EI\right)sin\mathrm{\θ}(1-cos\mathrm{\θ})}---\left(2\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{180\·l}{\mathrm{\π}R}---\left(3\right)$

其中，G为配比重量，kg；L为三角波形的纤维束单体的一个周期的长度，m；R3为模具的圆角的曲率半径，m；l为打捻纤维束与圆角的曲率半径为R3的模具接触的弧长，m；X为纤维束的捻度，捻/10cm；E为纤维束轴向的弹性模量，Pa；I为纤维束的转动惯量，m⁴；θ为曲率半径所对应的圆心角，弹性模量与转动惯量的乘积EI为纤维束抗弯刚度。