CN107160753A - 一种太阳能飞机轻量化用的复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能飞机轻量化用的复合材料，该复合材料用于制作太阳能飞机的机身，所述的复合材料包括依次排布的内纤维层、泡沫层和外纤维层，内纤维层、泡沫层和外纤维层呈三明治夹心结构，所述的内纤维层、泡沫层和外纤维层通过树脂进行胶接。与现有技术相比，本发明使用三明治夹心的复合材料代替金属作为太阳能飞机的制造原材料，可以极大的减轻飞机的重量，增加飞机的载重，提供飞机使用效率。

Description

一种太阳能飞机轻量化用的复合材料
技术领域
本发明涉及太阳能飞机制造领域，具体涉及一种太阳能飞机轻量化用的复合材料。
背景技术
飞机机身设计时通常要求保证结构的强度要求，同时使重量尽可能轻，以增大飞机的载重。在现在的飞机制造当中，金属是飞机的制造的主要原材料，如采用铝合金结构，但由于金属具有密度大，重量重，造型加工困难等等一些因素，使用在飞机上会增加飞机的重量，增加了加工成本，减少航空器应有的载重。随着先进复合材料的出现，现在开始采用全复合材料机身结构，复合材料在超轻型飞机上的应用成为其发展历程上的一次技术革命。但是，由于复合材料的制作工艺与常用连接方式本身具有多种不同方式且与金属结构差异很大，因此结构设计也各不相同因此找到一种能充分发挥复合材料性能，以较轻的重量保证机身强度的结构，提高复合材料机身的结构强度和安全性，具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种加工成本低、可大幅度降低飞机重量的一种太阳能飞机轻量化用的复合材料。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种太阳能飞机轻量化用的复合材料，该复合材料用于制作太阳能飞机的机身，所述的复合材料包括依次排布的内纤维层、泡沫层和外纤维层，内纤维层、泡沫层和外纤维层呈三明治夹心结构，所述的内纤维层、泡沫层和外纤维层通过树脂进行连接，所述的内纤维层铺贴飞机表面板材的背面，整个机身的制作结构上全部使用的是该三明治夹心结构的复合材料，以减轻飞机自身的重量，提高飞机的载重。
所述的内纤维层的厚度为0.1～0.3mm，泡沫层的厚度为1～4mm，外纤维层的厚度为0.1～0.3mm，相对于其他全部实用玻璃纤维补贴的工艺，此三明治夹心结构可以最大化的减轻重量，并且采用所述的厚度，该材料保证了应有的强度和刚度。
此结构形成的复合材料除了重量轻以外，所形成的总体强度和刚度可以与金属相比，甚至比金属的某些物理性能还要好。另外，实用复合材料加工构型简单，相对于金属来说更易于加工，省时省力，加工成本低，是生产加工的趋势。
所述的纤维包括玻璃纤维或碳纤维中的一种。两种纤维材料均有很好的机械强度，而且其密度远远小于金属，是复合材料中非常优质的增强材料。
所述的泡沫包括PVC泡沫或PMI泡沫中的一种，所述的泡沫层上具有孔径不大于1.2mm的通孔。PMI泡沫具有良好的力学性能、热变形温度和化学稳定性，是高性能夹层结构复合材料的理想芯层材料，而且密度小，适合对太能飞机轻量化的要求。PVC泡沫的重量非常轻，而且具有良好的防水、阻燃、耐酸碱、防蛀、质轻、保温、隔音、减震等特性，是是木材、铝材、复合板材的理想替代品。泡沫在此结构中主要起填充的作用，用于减轻结构的质量，另外，在泡沫上会有间隔2cm的通孔，纤维上的树脂经过抽真空后，进入孔中，固化形成类似混凝土中钢筋的结构，用于增强结构的强度。通孔结构的设置便于环氧树脂浸润填充通孔，相当于间接增大了内纤维层、外纤维层与泡沫层的接触面积，而且当环氧树脂固化后，其在泡沫层内还能能够充当一部分支撑骨架支柱的作用，有利于该复合材料的约束固化成型，同时还能使得内纤维层、外纤维层和泡沫层三者形成一个承力整体，进而大大提高太阳能飞机的强度与耐冲击性能。
所述的树脂为环氧树脂与固化剂混合而成的树脂，优选为285环氧树脂和287固化剂按照100:40比例混合而成的树脂，该树脂为德国进口树脂，能将太阳能电池板、内纤维层、泡沫层、外纤维层四层材料紧密的胶黏在一起，即该树脂起的作用相当于混凝土中钢筋的作用。
所述的复合材料与太阳能飞机的表面板材采用手糊袋压成型工艺进行铺贴，该工艺包括以下几个步骤：
(1)根据太阳能飞机部件制作阴模模具，并将太阳能飞机的表面板材固定到模具上；
(2)将用所述的树脂预浸过的内纤维层铺贴在所述表面板材的背面；
(3)将所述的泡沫层铺贴在内纤维层上，滚压使得内纤维层与表面板材或泡沫层完全服帖；
(4)将用所述的树脂预浸过的外纤维层铺贴在泡沫层表面，形成三明治夹心结构；
(5)利用真空袋抽真空，将表面板材、内纤维层、泡沫层、外纤维层和模具压在一起。
所述的表面板材包括太阳能电池板。
所述的抽真空在真空度0.06MPa及以下进行，该真空度所产生的压力对于复合材料是最适合的，即不至于对未固化的泡沫结构造成损坏，也不至于使层间压力不够，达不到完全粘合的效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)使用三明治夹心的复合材料代替金属作为太阳能飞机的制造原材料，在不减小飞机机身强度的前提下，可以极大的减轻飞机的重量，增加飞机的载重，提供飞机使用效率；
(2)制作工艺简单，成型过程中对表面板材的压力低且分布均匀，基本不会发生表面板材损坏的情况。此外，选用的粘接材料环氧树脂的固化温度低，使得整个对整个工艺条件的要求很低；
(3)成本低廉、结构轻：本发明所选用的纤维布、泡沫和粘接用的树脂等的来源广泛，价格较低，重量较低，特别适合于在太阳能飞机上的应用。
附图说明
图1为本发明设计的太阳能飞机的结构铺层图。
其中，1 为模具，2 为太阳能电池板，3 为内纤维层，4 为泡沫层，5 为外纤维层。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种太阳能飞机轻量化用的复合材料，是在太阳能飞机表面板材的背面铺贴复合材料，该复合材料为纤维、泡沫和纤维依次排布的三明治夹心结构型材料，使用三明治夹心的复合材料代替金属作为太阳能飞机的制造原材料，可以极大的减轻飞机的重量，增加飞机的载重，提供飞机使用效率。
该复合材料包括内纤维层3、泡沫层4和外纤维层5，其中，内纤维层3采用碳纤维材料，其厚度为0.3mm，泡沫层4采用PMI泡沫，其厚度为1mm，泡沫层4上具有孔径不大于1.2mm的通孔，闭孔相互之间的距离为2cm，外纤维层5采用碳纤维材料，其厚度为0.3mm。
该太阳能飞机采用手糊袋压成型工艺进行生产，在温度为18℃，相对湿度为40％条件下进行，表面板材为太阳能电池板2，主要包括以下几个步骤：
(1)根据翼型制作翼型阴模模具1，并将太阳能电池板2板固定到模具1上；
(2)用285环氧树脂和287固化剂按照100:40比例混合而成的树脂预浸玻璃纤维布，并将该玻璃纤维布铺贴到所述太阳能电池板2的背面，形成内纤维层3；
(3)在内纤维层3上铺贴PMI泡沫，形成泡沫层4，然后进行滚压，使太阳能电池板2、内纤维层3和泡沫层4完全服帖；
(4)在泡沫层4再铺贴一层用树脂预浸好的玻璃纤维布，形成外纤维层5，外纤维层5与内纤维层3和泡沫层4形成三明治夹心结构；
(5)利用真空袋在真空度为0.06MPa条件下抽真空，将太阳能电池板2、内纤维层3、泡沫层4、外纤维层5与模具1压在一起，形成太阳能飞机的机翼，其结构铺层如图1所示。
用该复合材料代替金属材料制作的机翼，不仅保证了机翼的强度，还减轻了机翼的重量，以提高飞机的载重。
实施例2
采用与实施例1相类似的复合材料以及制作工艺，不同之处在于：
(1)内纤维层采用玻璃纤维材料，其厚度为0.1mm，泡沫层采用PVC泡沫，其厚度为4mm，泡沫层上具有孔径不大于1.2mm的通孔，闭孔相互之间的距离为2cm，外纤维层采用玻璃纤维材料，其厚度为0.1mm。
(2)飞机的制作在22℃、60％相对湿度的条件下完成的。

Claims (10)

1.一种太阳能飞机轻量化用的复合材料，该复合材料用于制作太阳能飞机的机身，其特征在于，所述的复合材料包括依次排布的内纤维层、泡沫层和外纤维层，内纤维层、泡沫层和外纤维层呈三明治夹心结构，所述的内纤维层、泡沫层和外纤维层通过树脂进行胶接。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能飞机轻量化用的复合材料，其特征在于，所述的内纤维层的厚度为0.1～0.3mm，泡沫层的厚度为1～4mm，外纤维层的厚度为0.1～0.3mm。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能飞机轻量化用的复合材料，其特征在于，所述的内纤维层和外纤维层采用的材料包括玻璃纤维或碳纤维中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能飞机轻量化用的复合材料，其特征在于，所述的泡沫层采用的材料包括PVC泡沫或PMI泡沫中的一种，所述的泡沫层上具有孔径不大于1.2mm的通孔。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能飞机轻量化用的复合材料，其特征在于，所述的树脂为环氧树脂与固化剂混合而成的树脂。
6.根据权利要求5所述的一种太阳能飞机轻量化用的复合材料，其特征在于，所述的树脂为285环氧树脂和287固化剂按照100:40比例混合而成的树脂。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能飞机轻量化用的复合材料，其特征在于，所述的复合材料与太阳能飞机的表面板材采用手糊袋压成型工艺进行铺贴，该工艺包括以下几个步骤：
(1)根据太阳能飞机部件制作阴模模具，并将太阳能飞机的表面板材固定到模具上；
(2)将用所述的树脂预浸过的内纤维层铺贴在所述表面板材的背面；
(3)将所述的泡沫层铺贴在内纤维层上，滚压使得内纤维层与表面板材或泡沫层完全服帖；
(4)将用所述的树脂预浸过的外纤维层铺贴在泡沫层表面，形成三明治夹心结构；
(5)利用真空袋抽真空，将表面板材、内纤维层、泡沫层、外纤维层和模具压在一起。
8.根据权利要求7所述的一种太阳能飞机轻量化用的复合材料，其特征在于，所述的表面板材包括太阳能电池板。
9.根据权利要求7所述的一种太阳能飞机轻量化用的复合材料，其特征在于，所述的抽真空在真空度0.06MPa及以下进行。
10.根据权利要求7所述的一种太阳能飞机轻量化用的复合材料，其特征在于，上述步骤的处理工艺条件均为：温度18～22℃，相对湿度为40～60％。
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