CN105313346A - 一种可折叠自回弹复合材料管式铰链的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铰链技术领域，涉及一种可折叠自回弹复合材料管式铰链的制备方法。本发明中的复合材料管式铰链采用超薄树脂基复合材料预浸料制备得到，结构形式是一种中间对称开孔的薄壁复合材料圆管。超薄预浸料的厚度通常为常规预浸料的15％-30％，适用于制备薄壁复合材料制件，同时具备很大的力学设计自由度。采用超薄预浸料可实现轻质复合材料结构的高性能化，在满足复合材料铰链折叠功能的基础上提升结构的刚度、弯矩等力学性能。采用本方法制备得到的可折叠自回弹轻质复合材料管式铰链可应用于对减重、比强度和比刚度要求较高的航空航天领域。

Description

一种可折叠自回弹复合材料管式铰链的制备方法
技术领域
本发明属于铰链技术领域，涉及一种可折叠自回弹复合材料管式铰链的制备方法。
背景技术
在航空航天等工业领域中，一些机械结构需要通过铰链实现可折叠自展开功能，在航天领域中，由于受空间的限制，可展开太阳能电池板、可展开天线、可展开桁架等空间可展开结构在发射前必须折叠，发射进入工作轨道后可控展开，目前，实现这些功能应用较多的是金属铰链结构。随着航空航天领域对材料的轻质、高比强度和比刚度的性能需求日益增高，传统的金属铰链已不能适应目前技术发展的需要。
纤维增强树脂基复合材料具有质量轻、高比刚度、高比强度、阻尼减震性好、破损安全性好、耐腐蚀、耐疲劳等突出优点，以及结构可设计性强的特点，在航空航天领域得到广泛的应用。为实现复合材料结构的大变形，必须提高材料的破坏应变，在模量一定的情况下只能通过减小截面尺寸来实现，即对结构减薄。
目前，国外制备的复合材料铰链采用的增强体多为织物，织物的单层厚度很难达到0.05mm以下，制备得到的复合材料铰链的破坏应变不能满足一些小尺寸的铰链(如直径小于20mm)的制造，具有较大的使用局限性。同时，与连续纤维增强复合材料相比，织物增强复合材料的强度较低，力学可设计性较差。
发明内容
本发明的目的是：提出一种可折叠自回弹复合材料管式铰链的制备方法。
本发明的技术方案是：复合材料管式铰链采用单向纤维增强的预浸料，预浸料厚度为0.02mm～0.08mm；用该预浸料制备复合材料管式铰链，管式铰链的横截面为圆形，壁厚0.1mm～0.8mm，复合材料管的管壁沿长度方向对称开长形通槽，其制备步骤如下：
步骤一、将预浸料铺贴至管式铰链的壁后要求，按照设计要求裁切成需要的尺寸、角度和铺层顺序铺放，通过复合材料成型固化方法制备得到复合材料圆管；
步骤二、通过机械加工方法在复合材料圆管上沿长度方向对称开长形通槽，通槽的尺寸为管件不发生结构破坏的任一尺寸，得到可折叠自回弹复合材料管式铰链。
所述单向纤维增强的预浸料的纤维种类包括下列任意一种：碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维或超高分子量聚乙烯纤维。
所述单向纤维增强的预浸料的树脂为热固性树脂或热塑性树脂：其中，热固性树脂为聚氨酯、环氧树脂、氰酸酯树脂、双马树脂或聚酰亚胺树脂；热塑性树脂为聚酯、聚酰胺、聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺和聚酰亚胺中任意一种或任意两种及以上树脂的共聚物或共混物。
所述的复合材料成型固化方法为真空袋法、热收缩膜压制法、气囊压制法、模压法或热压罐法。
所述的复合材料管的管壁上沿长度方向对称开的长形通槽的两端各包含一个圆孔，圆孔的直径大于平直段的宽度。
所述的复合材料管的管壁上沿长度方向对称开的长形通槽的开孔两端为半圆弧且与平直段相切。
本发明具有的优点和有益效果：本发明中的复合材料管式铰链采用超薄树脂基复合材料预浸料制备得到，结构形式是一种中间对称开孔的薄壁复合材料圆管。超薄预浸料的厚度一般为常规预浸料的15％-30％，适用于制备薄壁复合材料制件，同时具备很大的力学设计自由度。采用超薄预浸料可实现轻质复合材料结构的高性能化，在满足复合材料铰链折叠功能的基础上提升结构的刚度、弯矩等力学性能。采用本方法制备得到的可折叠自回弹轻质复合材料管式铰链可应用于对减重、比强度和比刚度要求较高的航空航天领域。
通过研究，超薄预浸料适用于制造复合材料薄壁结构，复合材料结构层数最少的基本铺层为[45/-45]s共四层，如果采用单层厚度0.04mm的超薄预浸料制造，得到的薄壁结构厚度仅为0.16mm，而且如果在给定复合材料结构厚度的前提下，预浸料超薄化给予了复合材料结构工程师更多的设计余度，在给定制件厚度的前提下可以有更多的铺层层数和角度选择，根据结构的力学承载要求进行优化设计，得出最优方案。如材料的厚度为0.5mm，如果采用常规0.125mm厚的预浸料，铺层只能设计4层，设计自由度较低，如果采用单层厚度0.04mm的超薄预浸料，设计最高可达12层，设计自由度很大。通过采用超薄预浸料可实现轻质复合材料结构的高性能化，实现复合材料薄壁结构的大变形，用于可折叠自回弹复合材料管式铰链的制备，尤其用于制备一些破坏应变要求较高的小尺寸铰链。
附图说明
图1是本发明管壁长槽一种结构形式的示意图，其中，a为正视图，b为立体图；
图2是本发明管壁长槽另一种结构形式的示意图，其中，a为正视图，b为立体图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的设计和制备技术做进一步详细说明，然而本发明技术方案并不局限于以下所列举具体实施方式。
本发明提出一种可折叠自回弹复合材料管式铰链的制备方法，其制备步骤如下：
步骤一、制备得到薄壁复合材料圆管，具体方法如下：
(1)针对热固性树脂预浸料，按照制件尺寸、力学设计及铺层要求，按顺序将相应大小和铺层角度的超薄预浸料料片手工或使用卷管机铺放于模具外表面，采用真空袋法、热收缩膜压制法、模压法或热压罐法加压加热固化成型。或将料片手工铺放于圆柱形气囊上，置于阴模内，采用气囊压制法成型。
(2)针对热塑性树脂预浸料，按照制件尺寸、力学设计及铺层要求，按顺序将相应大小和铺层角度的超薄预浸料料片使用卷管机或手工铺放于模具外表面原位加热固结。
步骤二、通过机械加工方法在薄壁复合材料管中间部分对称开孔，得到可折叠自回弹复合材料管式铰链。开孔的形状有两种：方案1的平直部分开孔两端各包含一个圆孔，圆孔的直径大于平直段的宽度，如图1所示；方案2的开孔两端为半圆弧且与平直段相切，如图2所示，具体开孔尺寸根据铰链所需要的弯矩、刚度及材料的力学性能确定。
本发明中采用的纤维丝束包括下面任意一种：碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维或超高分子量聚乙烯纤维。
本发明中所采用的树脂为热固性树脂、热塑性树脂或两者的混合物：其中，热固性树脂为聚氨酯、环氧树脂、氰酸酯树脂、双马树脂或聚酰亚胺树脂；热塑性树脂为聚酯、聚酰胺、聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺和聚酰亚胺中任意一种或任意两种及以上树脂的共聚物或共混物。
实施例1
选用预展开的T300(3k)碳纤维丝束，将中温环氧树脂用涂胶机制成半固态胶膜，然后将树脂胶膜与纤维丝束通过预浸设备加热加压复合，制备得到单向碳纤维超薄预浸料，纤维体积分数为50％，预浸料单层厚度为0.04mm。将预浸料在圆柱形模具上手工铺放，模具直径30mm，铺层方式为[45/-45/0/-45/45]，经真空袋法固化得到薄壁复合材料圆管，采用机械加工方法对管壁两侧对称开孔，开孔方式为方案2，开孔宽度12mm，开孔长度150mm，得到复合材料管式铰链。
实施例2
选用预展开的芳纶kevlar-29(200tex)纤维丝束，树脂选用氰酸酯树脂体系，将纤维丝束通过湿法预浸机与树脂预浸，得到单向超薄预浸料，单层厚度0.05mm。采用卷管机将预浸料在圆柱形模具上铺放，模具直径23mm，铺层方式为[45/-45/0/0/-45/45]，经热压罐法固化得到薄壁复合材料圆管，采用机械加工方法对管壁两侧对称开孔，开孔方式为方案2，开孔宽度12mm，开孔长度90mm，得到复合材料管式铰链。
实施例3
选用预展开的T700(12k)碳纤维丝束，通过热熔预浸机将纤维丝束与聚氨酯薄膜复合，复合温度为150℃，纤维面密度为40g/m2，薄膜面密度为30g/m2，得到超薄预浸料，将得到的预浸料通过卷管机原位固结工艺制备薄壁复合材料管，模具直径27mm，铺层方式为[45/-45/45/-45/0/-45/45/-45/45]，采用机械加工方法对管壁两侧对称开孔，开孔方式为方案2，开孔宽度12mm，开孔长度90mm，得到复合材料管式铰链。得到碳纤维增强形状记忆聚氨酯复合材料，纤维体积分数为35％。
实施例4
选用预展开的高强玻璃纤维丝束，将双马树脂体系用涂胶机制成半固态胶膜，然后将树脂胶膜与纤维丝束通过预浸设备加热加压复合，制备得到单向玻璃纤维超薄预浸料，预浸料单层厚度为0.05mm。将预浸料在气囊上手工铺放，气囊直径50mm，铺层方式为[45/-45]2s，在金属圆形阴模内加压加热固化得到薄壁复合材料圆管，采用机械加工方法对管壁两侧对称开孔，开孔方式为方案1，开孔宽度20mm，开孔长度180mm，两端的止裂孔半径为15mm，得到复合材料管式铰链。
实施例5
选用聚酰胺纤维丝束，将环氧树脂体系用涂胶机制成半固态胶膜，然后将树脂胶膜与纤维丝束通过预浸设备加热加压复合，制备得到单向聚酰胺纤维超薄预浸料，预浸料单层厚度为0.05mm。将预浸料在圆柱形模具上铺放，模具直径5mm，铺层方式为[45/-45/0/-45/45]，经真空带法固化得到薄壁复合材料圆管，采用机械加工方法对管壁两侧对称开孔，开孔方式为方案1，开孔宽度3mm，开孔长度20mm，两端的止裂孔半径为2mm，得到复合材料管式铰链。

Claims (6)

1.一种可折叠自回弹复合材料管式铰链的制备方法，其特征在于：复合材料管式铰链采用单向纤维增强的预浸料，预浸料厚度为0.02mm～0.08mm；用该预浸料制备复合材料管式铰链，管式铰链的横截面为圆形，壁厚0.1mm～0.8mm，复合材料管的管壁沿长度方向对称开长形通槽，其制备步骤如下：
步骤一、将预浸料铺贴至管式铰链的壁后要求，按照设计要求裁切成需要的尺寸、角度和铺层顺序铺放，通过复合材料成型固化方法制备得到复合材料圆管；
步骤二、通过机械加工方法在复合材料圆管上沿长度方向对称开长形通槽，通槽的尺寸为管件不发生结构破坏的任一尺寸，得到可折叠自回弹复合材料管式铰链。
2.根据权利要求1所述的一种可折叠自回弹复合材料管式铰链的制备方法，其特征在于，所述单向纤维增强的预浸料的纤维种类包括下列任意一种：碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维或超高分子量聚乙烯纤维。
3.根据权利要求1所述的一种可折叠自回弹复合材料管式铰链的制备方法，其特征在于：所述单向纤维增强的预浸料的树脂为热固性树脂或热塑性树脂：其中，热固性树脂为聚氨酯、环氧树脂、氰酸酯树脂、双马树脂或聚酰亚胺树脂；热塑性树脂为聚酯、聚酰胺、聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺和聚酰亚胺中任意一种或任意两种及以上树脂的共聚物或共混物。
4.根据权利要求1中所述的一种可折叠自回弹复合材料管式铰链的制备方法，其特征在于，所述的复合材料成型固化方法为真空袋法、热收缩膜压制法、气囊压制法、模压法或热压罐法。
5.根据权利要求1中所述的一种可折叠自回弹复合材料管式铰链的制备方法，其特征在于，所述的复合材料管的管壁上沿长度方向对称开的长形通槽的两端各包含一个圆孔，圆孔的直径大于平直段的宽度。
6.根据权利要求1中所述的一种可折叠自回弹复合材料管式铰链的制备方法，其特征在于，所述的复合材料管的管壁上沿长度方向对称开的长形通槽的开孔两端为半圆弧且与平直段相切。
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