CN106342036B - 一种采用固化Z-pin制造X-cor夹层结构的方法 - Google Patents
一种采用固化Z-pin制造X-cor夹层结构的方法Info
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Abstract
一种采用固化Z-pin制造X-cor夹层结构的方法，属于复合材料夹层结构成型方法。该方法采用插孔器在泡沫芯材上预插孔，孔径不大于所采用的Z-pin直径；通过预制一块带有Z-pin的芯材，在蒙皮树脂固化制度下热压处理，测量计算出芯材在蒙皮固化制度下的压缩收缩率；根据泡沫厚度、Z-pin与泡沫表面的夹角和Z-pin插入蒙皮的厚度，算出所需Z-pin长度，将纤维束经过垂直引伸，连续烘干固化，两端磨尖和后固化制成Z-pin；Z-pin沿预插孔植入泡沫，铺放蒙皮并固化成X-co夹层结构。该方法避免了在制备过程中造成Z-pin的损伤；避免了Z-pin插入蒙皮过深引起的蒙皮开裂或插入过浅造成的结合过弱，提高了X-cor夹层结构的抗弯、抗压、抗剪性能。
Description
一技术领域
本发明涉及到一种采用固化Z-pin制造X-cor夹层结构的方法，属于复合材料夹层结构成型方法。
二背景技术
复合材料在飞机上的应用是降低其结构重量系数、提高作战飞机性能的关键技术之一，而复合材料中夹层复合材料结构有较高的结构效率。常用的复合材料蜂窝夹层结构是由强度和刚度较高的两块复合材料面板之间夹放一层密度较低的蜂窝芯材，通过胶粘剂粘接成一个整体结构。但是，传统的蜂窝夹层复合材料存在抗剪切性能不够、耐久性和损伤容限低等不足；易脱层、在后期的检查、修理和替换上出现问题，增加了维护费用。
X-cor是一种增强的泡沫塑料芯材，即在泡沫塑料中植入与外表面呈一定角度的单向纤维针状物(即Z-pin)而形成的网架结构。在有网架结构的泡沫塑料表面铺放预浸料经加压固化可得到X-cor夹层结构复合材料。这种X-cor夹层结构复合材料与传统的蜂窝夹层结构相比，具有突出的抗剪强度、抗压强度、抗冲击强度和耐久性，是飞机结构复合材料发展的重要方向。美国已采用AZTEX公司开发的X-corTM材料替代部分蜂窝制造夹层结构复合材料，用于新型的飞机结构。
X-cor夹层结构制备过程中，Z-pin直接通过导向孔植入泡沫阻力较大，容易造成Z-pin损伤，同时Z-pin嵌入蒙皮的深度难以控制，Z-pin嵌入过深会破坏蒙皮结构的连续性，嵌入过浅会造成Z-pin和蒙皮结合过弱，都不利于X-cor夹层结构充分发挥其结构性能。
三发明内容
本发明提供一种采用固化Z-pin制造X-cor夹层结构的方法，来解决X-cor夹层结构制备过程中Z-pin难于植入泡沫之中以及Z-pin嵌入蒙皮的深度难以控制的问题。
一种采用固化Z-pin制造X-cor夹层结构的方法，其特征在于由以下步骤组成：
(1)将插孔器定位在泡沫上，用插孔针在泡沫芯材上插孔，孔径不大于Z-pin直径，孔贯穿泡沫厚度；
(2)将纤维纱束通过树脂胶槽浸胶并垂直引伸，通过树脂溶液表面张力和引伸张力的共同作用保证Z-pin的圆度，连续烘干除去预浸纤维束中挥发性溶剂同时使树脂固化，切割得到Z-pin，将Z-pin两端磨尖并进行后固化，Z-pin长度L0≥d0/sinθ，式中d0为所采用泡沫的厚度，θ为Z-pin与泡沫外表面所成的角度；
(3)预制一块X-cor芯材：将Z-pin沿预插孔植入泡沫芯材，热压固化，固化制度按所用蒙皮树脂的固化制度进行，测量带有Z-pin的预制X-cor芯材热压后的厚度减小量Δd；
(4)根据泡沫芯材的厚度d，Z-pin与泡沫外表面所成的角度θ和Z-pin要插入蒙皮的深度h，计算所需要的Z-pin的长度L：
L＝(d×(1-Δd/d0)+2×h)/sinθ
式中d为制造X-cor泡沫芯材厚度，Δd为预制X-cor经过热压后的厚度减小量，h为Z-pin要插入蒙皮的深度，d0和θ与上述(2)中所述的d0、θ的定义一致；
(5)采用纤维束溶液浸胶、垂直引伸、连续烘干固化、切磨修尖后再后固化制备Z-pin纤维针，长度为上述(4)所述的L；
(6)将Z-pin植入预插孔的泡沫中，在泡沫上下表面铺放蒙皮预浸料，其中制造Z-pin用的树脂与蒙皮树脂均为QY8911树脂，按蒙皮树脂固化制度固化后得到X-cor结构。
本发明的优点：通过在泡沫上预插孔和Z-pin两端磨尖，减小了植入Z-pin的阻力和植入时可能对Z-pin的损伤，同时Z-pin更容易嵌入蒙皮并减小嵌入过程中对蒙皮的损伤；通过预制X-cor芯材确定了芯材在蒙皮固化制度下的压缩变形性，从而可以更为精确的控制Z-pin插入蒙皮的深度，并可以避免Z-pin插入过深造成蒙皮开裂或插入过浅使蒙皮和芯材界面结合太弱造成的X-cor性能下降。
四附图说明
图1是泡沫预插孔过程示意图。
图2是预插孔泡沫主视图。
图3是预插孔泡沫俯视图。
图4是两端磨尖的Z-pin示意图。
图5是带有Z-pin的预制芯材示意图。
图6是未固化的X-cor结构示意图。
图7是固化后的X-cor结构示意图。
图1中标号名称：1.插孔针，2.插孔器框架，3.插孔针导向管，4.泡沫。
图6中标号名称：5.蒙皮，6.Z-pin。
五具体实施方式
下面结合附图通过实例进一步说明本发明。
实施例1
如图1所示用插孔器2在厚度为d0＝20mm的PMI泡沫上插孔，插孔器导向管3与泡沫4表面夹角为θ＝60°，插孔针1直径为1mm，由于泡沫在插孔后有回弹，实际泡沫孔径小于1mm，孔贯穿整个泡沫厚度。插完孔的泡沫如图2、图3所示。
将碳纤维纱束通过QY8911的丙酮溶液浸渍并垂直引伸，通过引伸力和溶液表面张力的共同作用保证预浸纤维纱的圆度。将预浸纤维纱在50℃保温半小时，除去丙酮，在185℃下保温2小时、195℃保温3小时使其固化，剪成长度为L0＝d0/sinθ＝23.1mm的Z-pin，将Z-pin两端磨尖，得到如图4所示的Z-pin，其直径为1mm。
将Z-pin沿预插孔植入泡沫，得到如图5所示结构。
将带有Z-pin的预制X-cor按照蒙皮树脂QY8911的固化制度热压处理：120℃下保温1小时，加压0.4MPa；185℃下保温2小时，压力0.4MPa；195℃保温3小时。
测量带有Z-pin的预制X-cor芯材泡沫的压缩变形量为Δd＝0.4mm。
由d＝d0＝20mm、θ＝60°、Δd＝0.4mm、h＝0.4mm，h为Z-pin嵌入蒙皮厚度，根据公式L＝(d×(1-Δd/d0)+2×h)/sinθ算出所需的Z-pin长度为l＝23.6mm。
将长度为23.6mm两端磨尖的Z-pin沿预插孔植入泡沫，Z-pin两端各伸出泡沫0.25mm。在泡沫(带有Z-pin)上下表面铺放蒙皮预浸料，蒙皮厚度为1mm，得到如图6所示结构。
将制得的X-cor结构按照蒙皮树脂QY8911的固化制度热压成型，得到如图7所示的结构。
实施例2
重复实施例1的方法，相关参数修改如下：
| θ | d<sub>0</sub> | h |
| 45° | 20mm | 0.5mm |
Z-pin与蒙皮树脂采用QY8911，蒙皮厚度1mm。
实施例3
重复实施例1的方法，相关参数修改如下：
| θ | d<sub>0</sub> | h |
| 75° | 20mm | 0.4mm |
Z-pin与蒙皮树脂采用QY8911，蒙皮厚度1mm。
Claims (1)
1.一种采用固化Z-pin制造X-cor夹层结构的方法，其特征在于：
(1)将插孔器定位在泡沫上，用插孔针在泡沫芯材上插孔，孔径不大于Z-pin直径，孔贯穿泡沫厚度；
(2)将纤维纱束通过树脂胶槽浸胶并垂直引伸，通过树脂溶液表面张力和引伸张力的共同作用保证Z-pin的圆度，连续烘干除去预浸纤维束中挥发性溶剂同时使树脂固化，切割得到Z-pin，将Z-pin两端磨尖并进行后固化，Z-pin长度L0≥d0/sinθ，式中d0为所采用泡沫的厚度，θ为Z-pin与泡沫外表面所成的角度；
(3)预制一块X-cor芯材：将Z-pin沿预插孔植入泡沫芯材，热压固化，固化制度按所用蒙皮树脂的固化制度进行，测量带有Z-pin的预制X-cor芯材热压后的厚度减小量Δd；
(4)根据泡沫芯材的厚度d，Z-pin与泡沫外表面所成的角度θ和Z-pin要插入蒙皮的深度h，计算所需要的Z-pin的长度L：
L＝(d×(1-Δd/d0)+2×h)/sinθ
式中d为制造X-cor泡沫芯材厚度，Δd为预制X-cor经过热压后的厚度减小量，h为Z-pin要插入蒙皮的深度，d0和θ与上述(2)中所述的d0、θ的定义一致；
(5)采用纤维束溶液浸胶、垂直引伸、连续烘干固化、切磨修尖后再后固化制备Z-pin纤维针，长度为上述(4)所述的L；
(6)将Z-pin植入预插孔的泡沫中，在泡沫上下表面铺放蒙皮预浸料，其中制造Z-pin用的树脂与蒙皮树脂均为QY8911树脂，按蒙皮树脂固化制度固化后得到X-cor结构。
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|---|---|---|---|---|
| CN107257820A (zh) * | 2014-12-22 | 2017-10-17 | 巴斯夫欧洲公司 | 纤维增强的各向异性泡沫体 |
| CN110303696A (zh) * | 2019-07-09 | 2019-10-08 | 株洲时代新材料科技股份有限公司 | Z-pin增强蜂窝夹芯板及其成型工艺 |
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