CN105196620A - 一种局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头结构及成型方法 - Google Patents

一种局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头结构及成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头结构及成型方法。包括蒙皮泡沫芯材(1)、包裹在其外侧的蒙皮面板(2)；腹板泡沫芯材(3)、包裹在其外侧的腹板面板(4)、蒙皮泡沫芯材(1)与腹板泡沫芯材(3)垂直连接构成T型接头，T型接头两侧通过补强层(5)固定，通过在泡沫芯材内部植入高性能的Z-pin(6)，既可以对泡沫芯材起支撑作用，也可以提高T型接头的连接性能。本发明在显著提高夹层结构T型接头处的连接强度、刚度和稳定性的同时，其工艺流程简单，生产效率高。而且本发明可通过调节植入Z-pin的材料、角度、直径、密度等参数来改变T型接头处的性能，具有复合材料可设计性的优势。

Description

一种局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头结构及成型方法
技术领域
本发明涉及纤维复合材料Z-pin增强新技术，具体涉及一种局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头结构及成型方法，属于纤维复合材料增强技术领域。
背景技术
复合材料泡沫夹层结构由高强度的蒙皮与低密度轻质量的泡沫芯材经胶接固化制备而成，具有比强度、比刚度高，可设计性强等优点，因此在土木工程、航空技术和汽车制造中得到广泛的应用。其中泡沫夹层T型接头是夹层结构中最普遍的一种连接方式。
目前，泡沫夹层T型接头的连接形式主要有胶接，胶-缝混合连接与胶-螺混合连接三种形式。其中，胶连接作为最简单的T型连接方式，连接处强度不足是其致命缺点；胶-缝混合连接是在接头拐角处采用纤维丝将两夹层结构的蒙皮连接起来，该过程中需要对夹层结构进行预打孔，对打孔的位置具有精确要求，虽然提高了接头处的性能，但其加工较为复杂，缝合较为困难；胶-螺混合连接是将成型后的夹层结构进行打孔，并对泡沫芯材处进行扩孔，将螺钉预埋到夹层结构中，用树脂填入孔隙进行固定，该方法虽然装配方便，可用于经常需要拆卸的地方，但是在夹层结构开孔处具有应力集中，严重损害夹层结构的本身性能。因此，亟需要一种新的泡沫夹层T型接头的连接形式。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对目前夹层结构T型接头连接处强度与工艺繁琐相矛盾的问题，提供一种局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头结构及成型方法。利用X-cor夹层结构自身的特点，对T型接头进行局部增强，既提高了接头处强度，又改善了成型工艺，提高了成型效率。
X-cor结构是应用纤维复合材料Z-pin技术增强的一种高性能的夹层结构，将完全固化的纤维复合材料拉挤杆(即Z-pin)以一定角度、密度植入泡沫形成三维桁架芯材结构，并在芯材两端预留一段Z-pin，在热和压力的作用下嵌入软化的预浸料中并与之形成机械连接，固化成整体结构，极大地提高了泡沫夹层结构在厚度方向的力学性能。由此，将X-cor技术用于泡沫夹层T型接头结构。
技术解决方案是：
一种局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头结构，包括蒙皮泡沫芯材、包裹在其外侧的蒙皮面板；腹板泡沫芯材、包裹在其外侧的腹板面板、蒙皮泡沫芯材与腹板泡沫芯材垂直连接构成T型接头，T型接头两侧通过补强层固定，通过在泡沫芯材内部植入高性能的Z-pin，既可以对泡沫芯材起支撑作用，也可以提高T型接头的连接性能。
进一步，所述补强层为L型结构，一端连接蒙皮面板，另一端连接腹板面板。
进一步，在泡沫芯材内部植入高性能的Z-pin，具体是在T型接头性能薄弱即连接区域植入Z-pin。
本发明还提供一种权利要求1所述的局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头的成型方法，包括如下步骤：
步骤1：以碳纤维和环氧树脂或双马树脂为原料，通过拉挤设备制备Z-pin；
步骤2：在蒙皮泡沫芯材及腹板泡沫芯材上划出T型接头需要植入Z-pin的区域，将Z-pin按照以设定参数植入高强度泡沫芯材，并在不同区域的泡沫芯材两端露出相应的长度，其中蒙皮泡沫芯材露出部分长度a、b对应蒙皮面板加补强层厚度，腹板泡沫芯材露出长度c、d对应腹板面板加补强层厚度，分别获得X-cor蒙皮泡沫芯材结构、X-cor腹板泡沫芯材结构；
步骤3：采用光威US12500单向预浸料铺叠蒙皮面板及腹板面板，其厚度按照步骤2所述，将蒙皮面板及腹板面板分别铺覆在蒙皮泡沫芯材及腹板泡沫芯材外侧得到X-cor夹芯蒙皮结构和X-cor夹芯腹板结构；
步骤4：将X-cor夹芯蒙皮结构与X-cor夹芯腹板结构按照装配线进行组合装配，垂直连接构成T型接头，在T型接头两侧铺叠补强层，补强层一端连接蒙皮面板，另一端连接腹板面板，得到X-cor泡沫夹层T型接头；
步骤5：将组装完成T型接头放置在专用固化模具中，进行固化，得到局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头。
其中，步骤1中得到的Z-pin直径为0.5mm。
步骤2中Z-pin设定参数为角度为60°、间距为5mm×5mm。步骤5中固化工艺为80℃保温30min，130℃保温2h。
需要进一步说明的是实际操作中也可以通过设计Z-pin的直径、间距、角度参数，来改变T型接头的性能，性能具有可设计性，并不局限于本发明所述。
也可以在蒙皮面板与蒙皮泡沫芯材之间、腹板面板与腹板泡沫芯材间放置胶膜或者通过刷胶的形式进一步提高其连接性能。
本发明提供的一种局部增强的X-cor夹层T型接头的结构及成型方法，其增强原理如下：
当X-cor夹层T型接头结构受力时，接头处的Z-pin会分担其载荷，从而增强接头的连接强度。随着载荷的增加，Z-pin与蒙皮之间的结合破坏，使接头处的连接减弱，但由于失效的Z-pin仍占少数，所以尽管会造成T型结构的模量有所下降，但其强度仍在增加。最终当所有Z-pin失效后，由于Z-pin在拔出过程中时受到蒙皮与泡沫的摩擦阻力，因此局部X-cor夹层T型接头结构仍高于普遍的泡沫夹芯T型接头结构。
另外，泡沫中的Z-pin在热和压力的作用下容易嵌入蒙皮中，无须缝合制备T型接头时的预打孔与对孔步骤，降低了工艺的难度，提高了制作效率。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1、本发明通过在T型接头泡沫芯材内部植入Z-pin形成X-cor结构既可以对泡沫芯材进行支撑，也可以提高T型接头的连接性能、刚度和稳定性。
2、本发明仅在局部连接部位植入Z-pin，工艺流程简单，生产效率高。
3、本发明可通过调节植入Z-pin的材料、角度、直径、密度等参数来改变T型接头处的性能，具有复合材料可设计性的优势。
附图说明
图1为不含X-cor的泡沫夹层T型结构截面示意图。
图2为本发明局部增强的X-cor的泡沫夹层T型结构截面示意图。
图3为植入Z-pin的蒙皮泡沫芯材的截面示意图。
图4为植入Z-pin的腹板泡沫芯材的截面示意图。
图中标号名称：1、蒙皮泡沫芯材，2、蒙皮面板，3、腹板泡沫芯材，4、腹板面板；5、补强层，6、Z-pin，7、植入及装配标线。
具体实施方式
以下实施例进一步阐明本发明内容，但不用于限制本发明的范围。
实施例1：结合图1-2说明本实施例。
一种局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头结构(如图2)包括蒙皮泡沫芯材1、包裹在其外侧的蒙皮面板2；腹板泡沫芯材3、包裹在其外侧的腹板面板4、蒙皮泡沫芯材1与腹板泡沫芯材3垂直连接构成T型接头，T型接头两侧通过补强层5固定，通过在泡沫芯材内部植入高性能的Z-pin6，具体在T型接头性能薄弱即连接区域植入Z-pin6既可以对泡沫芯材起支撑作用，也可以提高T型接头的连接性能。所述补强层5为L型结构，一端连接蒙皮面板2，另一端连接腹板面板4。
如图1为不含X-cor的泡沫夹层T型结构截面示意图。
实施例2：结合图1-4说明本实施例。
一种局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头的成型方法，包括以下步骤：
步骤1：以T300碳纤维(丝束为3K)和FW125环氧树脂为原料，通过先进拉挤设备制备高性能全固化、直径为0.5mmZ-pin6；
步骤2：在蒙皮泡沫芯材1及腹板泡沫芯材3上(PMI，Rohacell-51WF，厚度为12.5mm)划出T型接头需要植入Z-pin的区域，将Z-pin按照以设定参数(角度为60°、间距为5mm×5mm)植入高强度泡沫芯材，并在不同区域的泡沫两端露出相应的长度，其中蒙皮芯材露出部分长度a、b(如图3,a＝b＝1.5mm)对应蒙皮面板2加补强层厚度，(蒙皮面板厚度1.5mm)，腹板芯材露出长度c、d(如图4，c＝d＝1.5mm)对应腹板面板4加补强层厚度，(腹板面板厚度1.5mm)，分别获得X-cor蒙皮泡沫芯材结构、X-cor腹板泡沫芯材结构(如图3、4)；
步骤3：采用光威US12500单向预浸料铺叠蒙皮面板及腹板面板，其厚度按照步骤2所述，将蒙皮面板2及腹板面板4分别铺覆在蒙皮泡沫芯材1及腹板泡沫芯材3外侧得到X-cor夹芯蒙皮结构和X-cor夹芯腹板结构；
步骤4：将X-cor夹芯蒙皮结构与X-cor夹芯腹板结构按照装配线进行组合装配，垂直连接构成T型接头，在T型接头两侧铺叠补强层5，补强层一端连接蒙皮面板2，另一端连接腹板面板4，得到X-cor泡沫夹层T型接头(如图2)；
步骤5：将组装完成T型接头放置在专用固化模具中，进行固化，固化工艺为80℃保温30min，130℃保温2h，得到局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头。

Claims (8)

1.一种局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头结构，其特征在于：包括蒙皮泡沫芯材(1)、包裹在其外侧的蒙皮面板(2)；腹板泡沫芯材(3)、包裹在其外侧的腹板面板(4)、蒙皮泡沫芯材(1)与腹板泡沫芯材(3)垂直连接构成T型接头，T型接头两侧通过补强层(5)固定，通过在泡沫芯材内部植入高性能的Z-pin(6)，既可以对泡沫芯材起支撑作用，也可以提高T型接头的连接性能。
2.根据权利要求1所述的局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头的结构，其特征在于，所述补强层(5)为L型结构，一端连接蒙皮面板(2)，另一端连接腹板面板(4)。
3.根据权利要求1或2所述的局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头的结构，其特征在于，在T型接头性能薄弱即连接区域植入Z-pin(6)。
4.一种权利要求1所述的局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头的成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：以碳纤维和环氧树脂或双马树脂为原料，通过拉挤设备制备Z-pin(6)；
步骤2：在蒙皮泡沫芯材(1)及腹板泡沫芯材(3)上划出T型接头需要植入Z-pin的区域，将Z-pin按照以设定参数植入高强度泡沫芯材，并在不同区域的泡沫芯材两端露出相应的长度，其中蒙皮泡沫芯材(1)露出部分长度a、b对应蒙皮面板(2)加补强层厚度，腹板泡沫芯材(3)露出长度c、d对应腹板面板(4)加补强层厚度，分别获得X-cor蒙皮泡沫芯材结构、X-cor腹板泡沫芯材结构；
步骤3：采用光威US12500单向预浸料铺叠蒙皮面板及腹板面板，其厚度按照步骤2所述，将蒙皮面板(2)及腹板面板(4)分别铺覆在蒙皮泡沫芯材(1)及腹板泡沫芯材(3)外侧得到X-cor夹芯蒙皮结构和X-cor夹芯腹板结构；
步骤4：将X-cor夹芯蒙皮结构与X-cor夹芯腹板结构按照装配线进行组合装配，垂直连接构成T型接头，在T型接头两侧铺叠补强层(5)，补强层一端连接蒙皮面板(2)，另一端连接腹板面板(4)，得到X-cor泡沫夹层T型接头；
步骤5：将组装完成T型接头放置在专用固化模具中，进行固化，得到局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头。
5.根据权利要求,4所述的局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头的成型方法，其特征在于，步骤1中得到的Z-pin直径为0.5mm。
6.根据权利要求4所述的局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头的成型方法，其特征在于，步骤2中Z-pin设定参数为角度为60°、间距为5mm×5mm。
7.根据权利要求4所述的局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头的成型方法，其特征在于，步骤5中固化工艺为80℃保温30min，130℃保温2h。
8.根据权利要求4～7任一所述的局部增强的X-cor泡沫夹层T型接头的成型方法，其特征在于，可以在蒙皮面板与蒙皮泡沫芯材之间、腹板面板与腹板泡沫芯材间放置胶膜或者通过刷胶的形式进一步提高其连接性能。
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