CN105082552B - 一种优化复合材料层合板性能的网格铺层结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种优化复合材料层合板性能的网格铺层结构及制作方法，所述铺层结构，其特征在于，由多条正交垂直的预浸料纵向条带和预浸料横向条带穿插构成，所述铺层结构的长度为矩形条带带宽的2m‑1倍，所述铺层结构的宽度为矩形条带带宽的2n‑1倍，m，n为自然数。本发明巧妙地利用复合材料结构可设计性这一特点，采用新的铺叠方式进行合理的铺层设计，设计出一种近似三维编织的结构，固化成型后，在采用同种预浸料的前提下，与现有铺层结构相比能够较明显地提高其拉伸强度、抗弯强度、剪切强度等，而采用该编织方式得到的层合板相对于常规层合板，其拉伸、弯曲、层间剪切性能均有一定程度的提高，这对复合材料三维增强技术的发展有极大的促进意义。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，涉及复合材料层合板构件性能增强技术，具体为一种优化复合材料层合板构件性能的网格铺层结构及制作方法。
背景技术
以碳纤维增强树脂基复合材料为代表的先进复合材料具有轻质、高强、高模量、耐疲劳、抗腐蚀、结构功能一体化和设计制造一体化、易于成型大型构件等突出优点，已在航空、航天等领域获得了广泛的应用。但碳纤维增强树脂基复合材料层合板构件整体性能较弱，在一定程度上限制了其应用。
为增强层合板整体结构性能，已有的研究中将碳纤维预浸料按照各层纤维方向的不同进行铺放，研究结果表明正交铺放的层合板二维方向性能较好。由于纤维增强复合材料的层间强度低，对于层合板三维方向有不同的增强方式，如缝合技术、三维编织、Z-pin增强技术等，这些增强技术都能够较为显著地提高层合板层间强度，但是这些增强方式在增强三维方向强度的同时会对纤维造成一定的损伤或存在无法克服的缺点。在缝合过程中针头的来回摆动必然会损伤纤维的连续性，使得层合板的面内性能包括刚度强度等均有所下降。三维编织难以精确控制机器的尺寸以及含胶量，三维编织的力学性能也易受到边界条件的影响。Z-pin增强会导致部分碳纤维断开并且在pin周围会形成一定的树脂眼状区域，进而一定程度的降低层合板的面内性能。
发明内容
本发明的技术目的是针对现有复合材料层合板整体性能较弱的问题，设计了一种对复合材料层合板性能有增强作用的2.5维网格铺层结构及制作方法。
为实现上述技术目的，本发明提供的技术方案为：
一种优化复合材料层合板性能的网格铺层结构，其特征在于，由多条正交垂直的预浸料纵向条带和预浸料横向条带穿插构成，所述铺层结构的长度为矩形条带带宽的2m-1倍，所述铺层结构的宽度为矩形条带带宽的2n-1倍，m，n为自然数。
所述预浸料优选采用碳纤维增强树脂基预浸料。
一种优化复合材料层合板性能的网格铺层结构制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）设定目标铺层结构尺寸，根据目标铺层结构尺寸用分切机将预浸料原材料分切成一定宽度的矩形条带并卷装，目标铺层结构的长度为矩形条带带宽的2m-1倍，目标层合板的宽度为矩形条带带宽的2n-1倍，m，n为自然数；
2）按照目标铺层结构的尺寸设计铺带机的铺放轨迹，所述铺放轨迹包括横铺和纵铺；
3）将卷装好的条带卷安装在铺带机上，控制铺带机按照设定起始位置在台板上纵铺一条条带，形成第一条纵向条带，之后，在第一条纵向条带的中间位置横铺一条条带，形成第一条横向条带，进入步骤4）；
4）自横向条带端部至第一条纵向条带左、右两侧边的中间位置各纵铺一条条带，之后，自纵向条带端部至第一条横向条带前、后两侧边的中间位置各横铺一条条带，进入步骤5）；
5）在上述步骤形成的相邻纵向条带之间或横向条带端部到最外侧纵向条带外侧边中间的位置均纵铺一条条带，之后，在相邻横向条带之间或纵向条带端部到最外侧横向条带外侧边中间的位置均横铺一条条带；
6）重复步骤5）直至相邻纵向条带之间、相邻横向条带之间、横向条带端部到最外侧纵向条带之间、纵向条带端部到最外侧横向条带之间无空白间隙，即形成所述目标铺层结构；
上述步骤中，纵向条带的长度相等，横向条带的长度相等。
所述预浸料优选采用碳纤维增强树脂基预浸料。
一种优化复合材料层合板性能的网格铺层结构，其特征在于，其结构基于如上所述制作方法制成。
本发明方案中，所述“纵”、“横”“前”、“后”、“左”、“右”仅为相对参照，并非对绝对方位的限定，会随着参照物的选取而变化。
本发明的有益效果：
本发明一种优化复合材料层合板性能的网格铺层结构巧妙地利用复合材料结构可设计性这一特点，采用新的铺叠方式进行合理的铺层设计，设计出一种近似三维编织的结构，固化成型后，在采用同种预浸料的前提下，与现有铺层结构相比能够较明显地提高其拉伸强度、抗弯强度、剪切强度等，而采用该编织方式得到的层合板相对于常规层合板，其拉伸、弯曲、层间剪切性能均有一定程度的提高，这对复合材料三维增强技术的发展有极大的促进意义。
附图说明
图1为本发明制作方法的流程示意图；
图2为本发明网格铺层结构交织位置的局部剖面示意图。
具体实施方式
为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
如图1所示，一种优化复合材料层合板性能的网格铺层结构制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）设定目标铺层结构尺寸，根据目标铺层结构尺寸用分切机将大块的碳纤维增强树脂基预浸料原材料分切成一定宽度的矩形条带并卷装，目标铺层结构的长度为矩形条带带宽的2m-1倍，目标层合板的宽度为矩形条带带宽的2n-1倍，m，n为非0自然数，m，n可以相等也可以不等，即目标铺层结构尺寸长、宽可以不相等；
2）按照目标铺层结构的尺寸规划铺带机的铺放轨迹，将控制轨迹的编程代码输入电脑，控制铺带机运行，所述铺放轨迹包括横铺和纵铺，铺带机通过送纱、切纱和止纱完成每个铺放动作，每个铺放动作的始端和末端由目标铺层结构的长、宽决定；
3）将卷装好的条带卷安装在铺带机上，控制铺带机按照设定起始位置在预先刷胶的台板上纵铺一条条带，形成第一条纵向条带，在第一条纵向条带的1/2中间位置横铺一条条带，形成第一条横向条带，进入步骤4）；
4）自横向条带端部至第一条纵向条带左、右两侧边（即图1左上角铺层结构中第一条纵向条带左、右两侧的空白处）的中间位置各纵铺一条条带，共两条；自纵向条带端部至第一条横向条带前、后两侧边（即图1左上角铺层结构中第一条横向条带前、后两侧的空白处）的中间位置各横铺一条条带，共两条，进入步骤5)；
5）在上述步骤中已铺的三个纵向条带形成的四段纵向空白处取中间位置各纵铺一条条带，之后在对应地横铺四条条带，以此类推，继续在相邻纵向条带之间或横向条带端部到最外侧纵向条带外侧边中间的位置均纵铺一条条带，在相邻横向条带之间或纵向条带端部到最外侧横向条带外侧边中间的位置均横铺一条条带；
6）重复步骤5）直至相邻纵向条带之间、相邻横向条带之间、横向条带端部到最外侧纵向条带之间、纵向条带端部到最外侧横向条带之间无空白间隙，即形成目标铺层结构，完成了两层预浸料的铺放；
上述步骤中，纵向条带的长度相等，横向条带的长度相等。
采用如上所述制作方法制成的最终网格铺层结构，由多条正交垂直的预浸料纵向条带2和预浸料横向条带1交替穿插构成，其长度为条带带宽2m-1倍，宽度为条带宽度2n-1倍，其交织位置结构如图2所示。将多个具有两层预浸料的网格铺层结构叠加固定到一起最终形成一定厚度的网格铺层层合板。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种优化复合材料层合板性能的网格铺层结构制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）设定目标铺层结构尺寸，根据目标铺层结构尺寸用分切机将预浸料原材料分切成一定宽度的矩形条带并卷装，目标铺层结构的长度为矩形条带带宽的2m-1倍，目标层合板的宽度为矩形条带带宽的2n-1倍，m，n为自然数；
2）按照目标铺层结构的尺寸规划铺带机的铺放轨迹，包括横铺和纵铺；
3）将卷装好的条带卷安装在铺带机上，控制铺带机按照设定起始位置在台板上纵铺一条条带，形成第一条纵向条带，在第一条纵向条带的中间位置横铺一条条带，形成第一条横向条带，进入步骤4）；
4）自横向条带端部至第一条纵向条带左、右两侧边的中间位置各纵铺一条条带；之后，自纵向条带端部至第一条横向条带前、后两侧边的中间位置各横铺一条条带，进入步骤5)；
5）在上述步骤形成的相邻纵向条带之间或横向条带端部到最外侧纵向条带外侧边中间的位置均纵铺一条条带，之后，在相邻横向条带之间或纵向条带端部到最外侧横向条带外侧边中间的位置均横铺一条条带；
6）重复步骤5）直至相邻纵向条带之间、相邻横向条带之间、横向条带端部到最外侧纵向条带之间、纵向条带端部到最外侧横向条带之间无空白间隙，即形成所述目标铺层结构；
上述步骤中，纵向条带的长度相等，横向条带的长度相等。
2.根据权利要求1所述的一种优化复合材料层合板性能的网格铺层结构制作方法，其特征在于，所述预浸料为碳纤维增强树脂基预浸料。
3.一种优化复合材料层合板性能的网格铺层结构，其特征在于，其结构基于如权利要求1或2所述的制作方法制成。
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