CN105818397A - 一种轻型结构复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种轻型结构复合材料，涉及一种层状复合、具有较低均匀面密度、周期或非周期调制的轻量化复合材料。这种复合材料包括：至少一层具有均匀面密度的铺层和至少一层镂空纤维骨架，具有均匀面密度的铺层和镂空纤维骨架之间采取周期性或非周期的叠层复合。本发明所选择的主体材料均具有较低的面密度，相对普通复合材料而言，本发明中层状复合后的复合材料具有超轻的重量，并且其力学结构设计相对简单。这种新型的复合材料可在长航时太阳能无人飞机、空间飞行器等承受力学载荷不太大，但特别要求轻量化的场合进行应用。
Description
技术领域
本发明属于一种轻型复合材料的结构设计与制造技术，涉及一种层状复合、周期或非周期调制的轻量化结构复合材料。
背景技术
随着航空工业的发展，复合材料在飞机上的应用从次承力结构发展到主承力结构，应用的部位也越来越重要，对复合材料结构件的要求也越来越高。随着新型飞行器向多功能化和轻量化发展，结构减重成为飞机复合材料结构设计中一个永恒不变的主题。
作为一种新型的航空侦查和作战武器，高空长航时太阳能无人机具有活动半径大、航程远、续航时间长、整机起飞重量大、实用升限高等特点。这些特点和要求给飞机的机翼结构设计带来了严峻的挑战,需要尽量减轻重量，增加载荷。通常的做法是采用将预浸料、纤维织物等按照设计要求进行不同角度铺放，通过热压罐成型或液态成型工艺制造出复合材料机翼等机体结构。常规预浸料及纤维织物一般是致密的连续结构，其面密度较高，制成的复合材料层合结构虽然能满足承载能力，但是却不能进一步有效减重。
长航时太阳能无人飞机的机翼要大面积铺设太阳能电池板，作为飞机的动力。由于其飞行速度较慢，机翼不需要承受太强的气动载荷，所以机翼重量要尽量轻，以尽可能的增加太阳能电池板和机载设备。传统的复合材料层合结构已不能满足长航时太阳能无人飞机对结构减重的要求，对新型超轻复合材料提出了独特的需求。
本发明针对长航时太阳能无人飞机、空间飞行器等对力学载荷要求不高，但特别要求轻量化的应用场合，提出采用具有较低均匀面密度的铺层(包括微薄预浸料、超薄预浸料、纤维织物、高分子树脂膜等)与2维2向或2维3向镂空纤维骨架进行层状复合，以此实现这种复合材料的轻量化与力学及使用性能的综合平衡。
发明内容
本发明的目的是：
本发明的目的是提供一种轻型结构复合材料，实现复合材料的轻量化与力学性能的综合平衡，满足长航时太阳能无人飞机对轻型复合材料的需求。
本发明的技术方案是：
一种轻型结构复合材料，包括至少一层具有均匀面密度的铺层和至少一层镂空纤维骨架，具有均匀面密度的铺层和镂空纤维骨架之间采取周期性或非周期的叠层复合。
本发明的优点是：
利用微薄预浸料、超薄预浸料、纤维织物、高分子薄膜、2维2向或2维3向镂空织物的特点，进行适当的层状化复合，通过常规的复合材料成型工艺，制备出轻型、力学性能适中的复合材料层合结构。
具体实施方式
本发明主要采用具有均匀面密度的铺层(包括微薄预浸料、超薄预浸料、纤维织物、高分子树脂膜)与2维2向或2维3向镂空纤维骨架进行层状复合，以此实现这种复合材料的轻量化与力学性能的综合平衡。本发明技术方案包括：
至少一层具有均匀面密度的铺层和至少一层镂空纤维骨架，具有均匀面密度的铺层和镂空纤维骨架之间采取周期性或非周期的叠层复合。
具有均匀面密度的铺层至少为以下一种：微薄预浸料、超薄预浸料、纤维织物、高分子树脂膜。
微薄预浸料由树脂和纤维组成，其中树脂的含量为15wt％～85wt％，纤维的含量为85wt％～15wt％，厚度为0.05mm～0.08mm；超薄预浸料由树脂和纤维组成，其中树脂的含量为15wt％～85wt％，纤维的含量为85wt％～15wt％，厚度为0.01mm～0.05mm。
所述树脂为热固性聚合物中的一种或者至少两种的组合，或者热塑性聚合物中的一种或者至少两种的组合，或者至少一种热固性聚合物与至少一种热塑性聚合物的组合；其中，热固性聚合物包括：环氧树脂、双马来酰亚胺、热固性聚酰亚胺、酚醛树脂、氰酸酯树脂、不饱和聚酯；热塑性聚合物包括：聚氨酯、聚苯硫醚、聚醚酮、聚砜、热塑性聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚酰胺、聚醚砜、聚乙烯。
所述纤维为单一种类纤维的织物、或者两种或两种以上纤维混合的织物、或者一种或几种混合的短切纤维；纤维种类包括：碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化硅纤维，或者有机纤维，所述有机纤维包括：聚乙烯纤维、芳纶纤维、尼龙纤维。
纤维织物形式至少是以下织物的一种：平纹织物、斜纹织物、缎纹织物或非屈曲织物。
所述高分子树脂膜为热固性聚合物中的一种或者至少两种的组合，或者热塑性聚合物中的一种或者至少两种的组合，或者至少一种热固性聚合物与至少一种热塑性聚合物的组合；其中，热塑性聚合物包括：聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚异戊二烯、橡胶、聚氨酯、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮、聚砜、聚醚酰亚胺、热塑性聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚酰胺、聚醚砜；热固性聚合物包括：环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、不饱和聚酯树脂。
镂空纤维骨架的编织形式至少为以下一种：2维2向镂空纤维骨架、2维3向镂空纤维骨架。
所述镂空纤维骨架通过纤维丝束进行制造，或者通过纤维预浸丝束进行制造。
所述纤维丝束为单一种类纤维的丝束、或者两种或两种以上纤维混合的丝束、或者一种或几种混合的短切纤维丝束；纤维种类包括：碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化硅纤维，或者有机纤维，所述有机纤维包括：聚乙烯纤维、芳纶纤维、尼龙纤维。
所述纤维预浸丝束由树脂和纤维组成，其中树脂的含量为15wt％～85wt％，纤维的含量为85wt％～15wt％。所述树脂为热固性聚合物中的一种或者至少两种的组合，或者热塑性聚合物中的一种或者至少两种的组合，或者至少一种热固性聚合物与至少一种热塑性聚合物的组合；其中，热塑性聚合物包括：聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚异戊二烯、橡胶、聚氨酯、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮、聚砜、聚醚酰亚胺、热塑性聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚酰胺、聚醚砜；热固性聚合物包括：环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、不饱和聚酯树脂；所述纤维为单一种类纤维的丝束、或者两种或两种以上纤维混合的丝束、或者一种或几种混合的短切纤维丝束；纤维种类包括：碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化硅纤维，或者有机纤维，所述有机纤维包括：聚乙烯纤维、芳纶纤维、尼龙纤维。
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。
实施例1：
采用日本东丽公司T300(6K)碳纤维与环氧树脂制备出超薄碳纤维预浸料(纤维面密度：35g/m2，树脂面密度：28g/m2)和碳纤维预浸丝束，其制备方法是以下方法中的一种：熔融法、湿法。使用制备出的碳纤维预浸丝束，采用编织的方法制备出2维2向镂空碳纤维镂空骨架。按照热压罐复合材料成型的常规性要求，将上述的超薄单向碳纤维预浸料及2维2向镂空碳纤维镂空骨架按照“镂空骨架-超薄预浸料”、“超薄预浸料-镂空骨架-超薄预浸料”、“镂空骨架-超薄预浸料-镂空骨架”等铺层设计，铺放在复合材料成型模具中，然后按照环氧树脂的固化成型程序，制备出轻型复合材料层合结构。
实施例2：
采用日本东丽公司T800(6K)碳纤维与环氧树脂制备出超薄单向碳纤维预浸料(纤维面密度：50g/m2，树脂面密度：30g/m2)和碳纤维预浸丝束，其制备方法是以下方法中的一种：熔融法、湿法。使用制备出的碳纤维预浸丝束，采用编织的方法制备出2维2向镂空碳纤维镂空骨架。按照热压罐复合材料成型的常规性要求，将上述的超薄单向碳纤维预浸料及2维2向镂空碳纤维镂空骨架按照“镂空骨架-超薄预浸料”、“超薄预浸料-镂空骨架-超薄预浸料”、“镂空骨架-超薄预浸料-镂空骨架”等铺层设计，铺放在复合材料成型模具中，然后按照环氧树脂的固化成型程序，制备出轻型复合材料层合结构。
实施例3：
采用日本东丽公司T300(1K)碳纤维平纹织物与环氧树脂制备出超薄平纹碳纤维预浸料(纤维面密度：60g/m2，树脂面密度：35g/m2)，采用日本东丽公司T300(3K)碳纤维制备出碳纤维预浸丝束，以上超薄平纹碳纤维预浸料和碳纤维预浸丝束的制备方法是以下方法中的一种：熔融法、湿法。使用制备出的碳纤维预浸丝束，采用编织的方法制备出2维2向镂空碳纤维镂空骨架。按照热压罐复合材料成型的常规性要求，将上述的超薄平纹碳纤维预浸料及2维2向镂空碳纤维镂空骨架按照“镂空骨架-超薄预浸料”、“超薄预浸料-镂空骨架-超薄预浸料”、“镂空骨架-超薄预浸料-镂空骨架”等铺层设计，铺放在复合材料成型模具中，然后按照环氧树脂的固化成型程序，制备出轻型复合材料层合结构。
实施例4：
采用日本东丽公司T300(6K)碳纤维与环氧树脂制备出碳纤维预浸丝束，其制备方法是以下方法中的一种：熔融法、湿法。使用制备出的碳纤维预浸丝束，采用编织的方法制备出2维2向镂空碳纤维镂空骨架。按照热压罐复合材料成型的常规性要求，将高分子薄膜及2维2向镂空碳纤维镂空骨架按照“镂空骨架-高分子薄膜”、“高分子薄膜-镂空骨架-高分子薄膜”、“镂空骨架-高分子薄膜-镂空骨架”等铺层设计，铺放在复合材料成型模具中，然后按照环氧树脂的固化成型程序，制备出轻型复合材料层合结构。
实施例5：
采用日本东丽公司T300(6K)碳纤维与环氧树脂制备出超薄单向碳纤维预浸料(纤维面密度：35g/m2，树脂面密度：28g/m2)和碳纤维预浸丝束，其制备方法是以下方法中的一种：熔融法、湿法。使用制备出的碳纤维预浸丝束，采用编织的方法制备出2维3向镂空碳纤维镂空骨架。按照热压罐复合材料成型的常规性要求，将上述的超薄单向碳纤维预浸料及2维3向镂空碳纤维镂空骨架按照“镂空骨架-超薄预浸料”、“超薄预浸料-镂空骨架-超薄预浸料”、“镂空骨架-超薄预浸料-镂空骨架”等铺层设计，铺放在复合材料成型模具中，然后按照环氧树脂的固化成型程序，制备出轻型复合材料层合结构。
实施例6：
采用日本东丽公司T300(6K)碳纤维与环氧树脂制备出超薄平纹碳纤维预浸料(纤维面密度：60g/m2，树脂面密度：35g/m2)，采用日本东丽公司T300(3K)碳纤维制备出碳纤维预浸丝束，以上超薄平纹碳纤维预浸料和碳纤维预浸丝束的制备方法是以下方法中的一种：熔融法、湿法。使用制备出的碳纤维预浸丝束，采用编织的方法制备出2维3向镂空碳纤维镂空骨架。按照热压罐复合材料成型的常规性要求，将上述的超薄平纹碳纤维预浸料及2维3向镂空碳纤维镂空骨架按照“镂空骨架-超薄预浸料”、“超薄预浸料-镂空骨架-超薄预浸料”、“镂空骨架-超薄预浸料-镂空骨架”等铺层设计，铺放在复合材料成型模具中，然后按照环氧树脂的固化成型程序，制备出轻型复合材料层合结构。
实施例7：
采用日本东丽公司T300(6K)碳纤维与环氧树脂制备出碳纤维预浸丝束，其制备方法是以下方法中的一种：熔融法、湿法。使用制备出的碳纤维预浸丝束，采用编织的方法制备出2维3向镂空碳纤维镂空骨架。按照热压罐复合材料成型的常规性要求，将高分子薄膜及2维3向镂空碳纤维镂空骨架按照“镂空骨架-高分子薄膜”、“高分子薄膜-镂空骨架-高分子薄膜”、“镂空骨架-高分子薄膜-镂空骨架”等铺层设计，铺放在复合材料成型模具中，然后按照环氧树脂的固化成型程序，制备出轻型复合材料层合结构。
实施例8：
采用日本东丽公司T300(6K)碳纤维制备出2维3向镂空碳纤维编织物，按照复合材料液态成型工艺要求，将上述的2维3向镂空碳纤维编织物与单向或平纹碳纤维织物按照“镂空骨架-单向或平纹碳纤维织物”、“单向或平纹碳纤维织物-镂空骨架-单向或平纹碳纤维织物”、“镂空骨架-单向或平纹碳纤维织物-镂空骨架”等铺层设计，铺放在复合材料成型模具中。树脂选用牌号为3266的环氧树脂，按照复合材料液态成型工艺，制备出轻型复合材料层合结构。
本发明的技术可以应用于无人飞机、太阳能飞机、空间飞行器或其他空间结构等力学载荷不太大但特别要求轻量化的应用场合，实现复合材料的极轻量化与力学及使用性能的综合平衡。
Claims (11)
1.一种轻型结构复合材料，其特征在于，包括：
至少一层具有均匀面密度的铺层和至少一层镂空纤维骨架，具有均匀面密度的铺层和镂空纤维骨架之间采取周期性或非周期的叠层复合。
2.如权利要求1所述的一种轻型结构复合材料，其特征在于，具有均匀面密度的铺层至少为以下一种：微薄预浸料、超薄预浸料、纤维织物、高分子树脂膜。
3.如权利要求2所述的一种轻型结构复合材料，其特征在于，微薄预浸料由树脂和纤维组成，其中树脂的含量为15wt％～85wt％，纤维的含量为85wt％～15wt％，厚度为0.05mm～0.08mm；超薄预浸料由树脂和纤维组成，其中树脂的含量为15wt％～85wt％，纤维的含量为：85wt％～15wt％，为0.01mm～0.05mm。
4.如权利要求3所述的一种轻型结构复合材料，其特征在于，所述树脂为热固性聚合物中的一种或者至少两种的组合，或者热塑性聚合物中的一种或者至少两种的组合，或者至少一种热固性聚合物与至少一种热塑性聚合物的组合；其中，热固性聚合物包括：环氧树脂、双马来酰亚胺、热固性聚酰亚胺、酚醛树脂、氰酸酯树脂、不饱和聚酯；热塑性聚合物包括：聚氨酯、聚苯硫醚、聚醚酮、聚砜、热塑性聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚酰胺、聚醚砜、聚乙烯。
5.如权利要求3所述的一种轻型结构复合材料，其特征在于，所述纤维为单一种类纤维的织物、或者两种或两种以上纤维混合的织物、或者一种或几种混合的短切纤维；纤维种类包括：碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化硅纤维，或者有机纤维，所述有机纤维包括：聚乙烯纤维、芳纶纤维、尼龙纤维。
6.如权利要求2所述的一种轻型结构复合材料，其特征在于，纤维织物形式至少是以下织物的一种：平纹织物、斜纹织物、缎纹织物或非屈曲织物。
7.如权利要求2所述的一种轻型结构复合材料，其特征在于，
所述高分子树脂膜为热固性聚合物中的一种或者至少两种的组合，或者热塑性聚合物中的一种或者至少两种的组合，或者至少一种热固性聚合物与至少一种热塑性聚合物的组合；其中，热塑性聚合物包括：聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚异戊二烯、橡胶、聚氨酯、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮、聚砜、聚醚酰亚胺、热塑性聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚酰胺、聚醚砜；热固性聚合物包括：环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、不饱和聚酯树脂。
8.如权利要求1所述的一种轻型结构复合材料，其特征在于，
镂空纤维骨架的编织形式至少为以下一种：2维2向镂空纤维骨架、2维3向镂空纤维骨架。
9.如权利要求1所述的一种轻型结构复合材料，其特征在于，所述镂空纤维骨架通过纤维丝束进行制造，或者通过纤维预浸丝束进行制造。
10.如权利要求9所述的一种轻型结构复合材料，其特征在于，所述纤维丝束为单一种类纤维的丝束、或者两种或两种以上纤维混合的丝束、或者一种或几种混合的短切纤维丝束；纤维种类包括：碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化硅纤维，或者有机纤维，所述有机纤维包括：聚乙烯纤维、芳纶纤维、尼龙纤维。
11.如权利要求9所述的一种轻型结构复合材料，其特征在于，所述纤维预浸丝束由树脂和纤维组成，其中树脂的含量为15wt％～85wt％，纤维的含量为85wt％～15wt％。所述树脂为热固性聚合物中的一种或者至少两种的组合，或者热塑性聚合物中的一种或者至少两种的组合，或者至少一种热固性聚合物与至少一种热塑性聚合物的组合；其中，热塑性聚合物包括：聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚异戊二烯、橡胶、聚氨酯、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮、聚砜、聚醚酰亚胺、热塑性聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚酰胺、聚醚砜；热固性聚合物包括：环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、不饱和聚酯树脂；所述纤维为单一种类纤维的丝束、或者两种或两种以上纤维混合的丝束、或者一种或几种混合的短切纤维丝束；纤维种类包括：碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化硅纤维，或者有机纤维，所述有机纤维包括：聚乙烯纤维、芳纶纤维、尼龙纤维。
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