CN104647776A - Z-pin增强复合材料加筋壁板结构及其成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及Z-pin增强复合材料加筋壁板结构及其成型方法，属于复合材料增强技术领域。其特征在于，在复合材料加筋壁板的筋条与蒙皮连接的部位，植入Z-pin，用以提高加筋壁板结构中筋条与蒙皮间的界面强度。该成型方法采用自动植入设备将Z-pin植入到泡沫载体中；其次，将泡沫上的复合材料Z-pin枪垂直植入未固化的加筋壁板结构的筋条与蒙皮连接部位，去除泡沫与多余的Z-pin；最后，在热压罐中使Z-pin增强帽型加筋壁板结构整体固化。本发明可以显著提高复合材料帽型加筋壁板结构筋条与蒙皮间的界面连接强度，提高了结构整体性。同时本发明具有降低制造成本、提高减重效率、能避免使用紧固件带来的纤维破坏的优点。

Description

Z-pin增强复合材料加筋壁板结构及其成型方法

技术领域

本发明涉及一种Z-pin技术用于增强复合材料加筋壁板结构及其成型方法，属于复合材料增强技术领域。

背景技术

复合材料加筋壁板结构由于其良好的后屈曲承载能力及减重效果，被广泛应用于航空结构当中。常见的加筋壁板结构包括：帽型、T型、工型、L型、J型等，其中帽型筋条与其它相比，具有更好的比刚度和结构稳定性，传递周向载荷效率高，是机身段等筒状结构部件的首选。

大量的实验研究发现，筋条与蒙皮间的界面连接强度远远低于复合材料的面内强度。加筋结构在承受后屈曲载荷时，失效主要发生在筋条与蒙皮的胶接界面。这是由于蒙皮屈曲后，载荷传递给筋条，使得翼缘承受面外弯曲载荷，极易引起缘条与蒙皮的脱粘。因此，结构在承载时，筋条与蒙皮之间的脱粘往往会导致结构提前破坏，这将对飞机安全构成极大的威胁。为提高加筋与蒙皮间的界面连接强度，将Z-pin三维增强技术应用于帽型加筋壁板结构。

Z-pin三维增强技术是在不连续缝合技术基础上发展而来的新三维增强技术，Z-pin是指一种金属类或复合材料类圆柱型短棒，金属类Z-pin包括不锈钢、钛合金、铝合金，复合材料Z-pin为具有一定强度、刚度的预制体，是通过碳纤维、石英纤维等增强纤维浸胶后，在模具成形固化制备形成。Z-pin技术是将针状细杆Z-pin植入到铺迭好的预浸料中形成三维增强，经共固化形成的整体结构。该项技术可明显改善复合材料层合板的层间韧性，并具有操作简单、可设计性强、易于整体成型、减重性好、抗剪切、抗剥离性能强、对纤维损伤小的优点。

发明内容

本发明的目的是针对目前复合材料加筋壁板筋条与蒙皮界面强度弱的问题，提供一种采用Z-pin三维增强技术显著提高筋条与蒙皮的界面连接强度、制造成本低、能避免由于使用紧固件带来的纤维破坏的Z-pin增强复合材料加筋壁板结构及其成型方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

Z-pin增强复合材料加筋壁板结构，包括复合材料筋条和蒙皮，复合材料筋条固定在蒙皮上，其中：复合材料筋条与蒙皮连接处，植入用于提高复合材料筋条与蒙皮的连接强度的Z-pin。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的Z-pin植入方向垂直于复合材料筋条与蒙皮的连接面。

上述的复合材料筋条为帽型筋条。

一种Z-pin增强复合材料加筋壁板结构的成型方法，包括以下步骤：

步骤一、通过拉挤工艺制备Z-pin，将Z-pin植入泡沫载体中，制成含Z-pin的泡沫预制体；

步骤二、分别在筋条模具和蒙皮模具上铺覆复合材料筋条和蒙皮；

步骤三、按照尺寸和位置将蒙皮放置于筋条的上方，将含Z-pin的泡沫预制体放置于复合材料筋条和蒙皮连接部位的上方，将含Z-pin的泡沫预制体中的Z-pin植入复合材料筋条与蒙皮中，使Z-pin贯穿复合材料筋条和蒙皮的连接面；

步骤四、将泡沫载体以及尚未植入复合材料筋条与蒙皮的Z-pin去除；

步骤五、将复合材料筋条、蒙皮以及Z-pin组成的加筋壁板结构封装，放于热压罐中，加热固化，形成Z-pin增强复合材料加筋壁板结构。

步骤三中，采用超声枪将Z-pin植入复合材料筋条与蒙皮中。

步骤三中，将Z-pin向下垂直植入复合材料筋条与蒙皮中。

与现有技术相比，本发明提供的一种Z-pin增强复合材料帽型加筋壁板结构筋条与蒙皮连接处界面连接强度的结构，其增强原理如下：当帽型加筋壁板结构受到沿着加筋和蒙皮界面（如图中沿纸面向里）轴向力时，Z-pin对蒙皮和加筋的桥联力阻碍裂纹的扩展，减缓裂纹扩展的速度，同时Z-pin的“钉扎”效应和自身变形抑制裂纹扩展。从而提高帽型加筋壁板的界面连接强度。因为直接将Z-pin植入复合材料筋条与蒙皮层合板中非常困难，而且在植入过程中会损伤层合板，通过将Z-pin植入泡沫，使泡沫起到导向的作用，方便将Z-pin植入复合材料筋条与蒙皮中，并降低层合板的损伤。

本发明具有采用Z-pin三维增强技术显著提高筋条与蒙皮的界面连接强度、制造成本低、能避免由于使用紧固件带来的纤维破坏的优点。

附图说明

图1为不含Z-pin增强的帽型加筋壁板横截面示意图；

图2为第一实施例中将含Z-pin的泡沫预制体放置于加筋壁板横截面示意图；

图3为第一实施例中将Z-pin植入帽型加筋壁板横截面示意图；

图4为第一实施例中去除泡沫和多余Z-pin后的Z-pin增强帽型加筋壁板横截面示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

图1为现有技术中的不含Z-pin增强的帽型加筋壁板横截面示意图；

图2至图4所示为本发明的结构示意图。

其中的附图标记为：复合材料帽型筋条1、蒙皮2、泡沫载体3、Z-pin4。

如图2至图4所示，本发明的Z-pin增强复合材料加筋壁板结构，包括帽型筋条1和蒙皮2，帽型筋条1固定在蒙皮2上，帽型筋条1与蒙皮2连接处，垂直植入用于提高帽型筋条1与蒙皮2的连接强度的Z-pin4。

第一实施例：如图2至4所示，

整个成型步骤如下：

步骤一、通过拉挤工艺制备Z-pin4，将Z-pin4植入泡沫载体3中，制成含Z-pin的泡沫预制体；

步骤二、分别在筋条模具和蒙皮模具上铺覆帽型筋条1和蒙皮2；

步骤三、按照尺寸和位置将蒙皮2放置于筋条1的上方，将含Z-pin的泡沫预制体放置于帽型筋条1和蒙皮2连接部位的上方，如图2所示；然后采用超声枪将含Z-pin的泡沫预制体中的Z-pin4垂直植入帽型筋条1与蒙皮2中，使Z-pin4贯穿帽型筋条1和蒙皮2的连接面，如图3所示；

步骤四、将泡沫载体3以及尚未植入帽型筋条1与蒙皮2的Z-pin4去除，如图4所示；

步骤五、将帽型筋条1、蒙皮2以及Z-pin4组成的加筋壁板结构封装，放于热压罐中，加热固化，形成Z-pin增强帽型加筋壁板结构。

第二实施例：

将第一实施例中的帽型筋条替换为T型筋条。

未述部分同第一实施例。

第三实施例：

将第一实施例中的帽型筋条替换为工字型筋条。

未述部分同第一实施例。

第四实施例：

将第一实施例中的帽型筋条替换为L型筋条。

未述部分同第一实施例。

第五实施例：

将第一实施例中的帽型筋条替换为π型筋条。

未述部分同第一实施例。

第六实施例：

将第一实施例中的帽型筋条替换为J型筋条。

未述部分同第一实施例。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.Z-pin增强复合材料加筋壁板结构，包括复合材料筋条(1)和蒙皮(2)，所述的复合材料筋条(1)固定在蒙皮(2)上，其特征是：所述的复合材料筋条(1)与蒙皮(2)连接处，植入用于提高复合材料筋条(1)与蒙皮(2)的连接强度的Z-pin(4)。

2.根据权利要求1所述的Z-pin增强复合材料加筋壁板结构，其特征是：所述的Z-pin(4)植入方向垂直于复合材料筋条(1)与蒙皮(2)的连接面。

3.根据权利要求1所述的Z-pin增强复合材料加筋壁板结构，其特征是：所述的复合材料筋条(1)为帽型筋条。

4.一种Z-pin增强复合材料加筋壁板结构的成型方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一、通过拉挤工艺制备Z-pin(4)，将Z-pin(4)植入泡沫载体(3)中，制成含Z-pin的泡沫预制体；

步骤二、分别在筋条模具和蒙皮模具上铺覆复合材料筋条(1)和蒙皮(2)；

步骤三、按照尺寸和位置将蒙皮放置于筋条的上方，将含Z-pin的泡沫预制体放置于复合材料筋条(1)和蒙皮(2)连接部位的上方，将含Z-pin的泡沫预制体中的Z-pin(4)植入复合材料筋条(1)与蒙皮(2)中，使Z-pin(4)贯穿复合材料筋条(1)和蒙皮(2)的连接面；

步骤四、将泡沫载体(3)以及尚未植入复合材料筋条(1)与蒙皮(2)的Z-pin(4)去除；

步骤五、将复合材料筋条(1)、蒙皮(2)以及Z-pin(4)组成的加筋壁板结构封装，放于热压罐中，加热固化，形成Z-pin增强复合材料加筋壁板结构。

5.根据权利要求4所述的一种Z-pin增强复合材料加筋壁板结构的成型方法，其特征是：步骤三中，采用超声枪将Z-pin(4)植入复合材料筋条(1)与蒙皮(2)中。

6.根据权利要求4所述的一种Z-pin增强复合材料加筋壁板结构的成型方法，其特征是：步骤三中，将Z-pin(4)向下垂直植入复合材料筋条(1)与蒙皮(2)中。