CN107512401A - 一种复合材料驱动器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种复合材料驱动器的制备方法。本发明中的复合材料驱动器为圆管状，采用高性能纤维作为增强体、热塑性弹性体或交联橡胶为树脂基体，可在压力的激励下实现伸长和缩短的功能，应用于变体飞行器的智能机翼等结构。采用复合材料驱动器驱动的智能结构一体化程度高，与纯机械铰接相比结构复杂度与重量降低、驱动效率提高，与智能材料相比技术成熟度较高、驱动功率与应变大、响应快。复合材料驱动器的力学性能及驱动功率显著优于传统人工肌肉驱动器，综合优势明显，是研制智能飞行器变形结构的理想候选结构单元。

Description

一种复合材料驱动器的制备方法

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种复合材料驱动器的制备方法。

背景技术

在航空领域，智能变形飞行器是一种多用途、多形态飞行器，能够根据飞行环境和作战任务等的需要进行自适应变形，发挥飞行器最优的飞行性能。智能变形飞行器技术的关键部分是智能机翼技术，通过结构一体化设计，所制造的智能机翼无铰链、无前后缘缝隙，机翼表面保持连续和光滑变化，能够降低机构复杂性，减小气流损失、显著提高升阻比，降低飞行器的重量和飞行成本，提升飞行器的综合效能。

从国外已经进行的较成功的智能变形飞行器设计案例可以看出，机翼的智能变形无一例外都是通过常规材料结构/机构形式或是智能材料及结构这两种途径来实现的，要求驱动变形大、响应迅速、控制简单、稳定性高且重量轻。采用常规材料结构/机构的智能机翼结构较复杂，一般重量较大，需要非常新颖的设计理念和构思。采用智能材料的自适应结构，以应用于直升机智能旋翼上的压电陶瓷和应用于发动机压气机叶片的形状记忆合金为例，其优点是结构相对简单，一体化程度高，可以大大降低结构重量，但不足之处是其所产生的诱导应变通常不够大，功率小且行程短，效率较低。

发明内容

本发明的目的是：提出一种变形量大，比功率高的复合材料驱动器的制备方法。

本发明的技术方案是：

复合材料驱动器由金属管接头和复合材料管组成，其中复合材料管为三维编织纤维增强复合材料，其横截面为圆形，复合材料管分为缩短型和伸长型，以复合材料管的轴向作为0°，缩短型纤维编织角度为±5°至±45°之间任意角度，伸长型纤维编织角度为±45°至88°之间任意角度，其制备步骤如下：

步骤一、采用三维编织机将纤维按预定的角度、设计厚度和长度编织到圆柱形芯模上，制备得到纤维预成型体；

步骤二、根据树脂基体的流变特性，选用树脂传递模塑成型、树脂真空吸注成型或树脂膜熔渗工艺，将树脂与纤维预成型体复合并完成固化；

步骤三、将固化后的复合材料管脱模、修理后两端安装金属管接头即可得到复合材料驱动器。

所述纤维的种类包括下列任意一种或多种纤维的组合：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。

所述的树脂为热塑性弹性体或交联硫化橡胶：其中，热塑性弹性体为苯乙烯类、烯烃类、双烯类、氯乙烯类、氨酯类、酯类、酰胺类、有机氟类和有机硅类中任意一种；交联硫化橡胶为天然橡胶、异戊橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶和聚硫橡胶中任意一种。

所述的金属管接头为可拆卸式管接头或不可拆卸式管接头，金属管接头与复合材料管连接并充入压力介质后，在使用压力下接头部位不发生泄漏或损坏。

本发明具有的优点和有益效果：本发明的复合材料驱动器在内部流体介质压力的作用下可发生伸长或缩短，采用高性能纤维作为增强体，通过对弹性基体复合材料驱动器的尺寸、纤维种类、纤维角度、厚度、树脂基体等进行选择和设计，可实现复合材料力学性能的高度各向异性且可剪裁，例如驱动器沿轴向方向和其垂直方向的杨氏模量比值能从102变化到104，满足不同智能结构的驱动要求。

本发明复合材料驱动器具有较高的功率-重量比，采用其驱动的智能机翼结构一体化程度高，与纯机械铰接相比结构复杂度与重量降低、驱动效率提高；与智能材料相比技术成熟度较高、驱动功率与应变大、响应快，且其力学性能及驱动功率显著优于传统人工肌肉驱动器(例如应用于机器人和医疗等民用领域)。与纯机械铰接结构、智能材料和传统人工肌肉驱动器相比，复合材料驱动器具有明显的综合优势，能显著提升飞行器的综合效能，满足了大变形、大驱动功率和减重的需求，是研制智能飞行器变形结构的理想候选结构单元。

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。

复合材料驱动器由两端的金属管接头和中间的复合材料管组成，其中复合材料管为三维编织纤维增强复合材料，其内外横截面为圆形，复合材料管分为缩短型和伸长型，以复合材料管的轴向作为0°，缩短型纤维编织角度为±5°至±45°之间任意角度，伸长型纤维编织角度为±45°至88°之间任意角度，同一复合材料管纤维编织角度在各处相同，其制备步骤如下：

步骤一、采用三维编织机将纤维按预定的角度、厚度和长度编织到圆柱形芯模上，制备得到纤维预成型体。所使用的纤维可以是单一种类纤维，也可以是多种纤维混编。当纤维的编织角度(绝对值)大于45度时，所制备的复合材料驱动器为伸长型驱动器，当纤维的编织角度(绝对值)小于45度时，所制备的复合材料驱动器为缩短型驱动器。对于伸长型驱动器，纤维角度越接近90°，其在内部压力作用下所能产生的形变越大。对于缩短型驱动器，纤维角度越接近0°，其在内部压力作用下所能产生的形变越大。对于这两类驱动器，随着纤维角度由0°向±90°变化，其整体刚度逐渐减小，所以，应针对驱动器具体的刚度及变形要求对复合材料的纤维种类，编织角度、厚度和长度进行力学优化设计。

步骤二、采用复合材料成型方法将树脂与复合材料预成型体复合并完成固化。依据树脂基体的流变特性选择合适的成型方法，如树脂在某一温度下黏度小于0.3Pa〃s且具有一定的黏度稳定期，可采用树脂传递模塑成型或树脂真空吸注成型，其黏度稳定期应满足相应驱动器制件的注射要求；如树脂不具有黏性或黏度较大，可采用树脂膜熔渗工艺，将树脂胶膜铺贴在纤维预制体表面，依次铺贴有孔隔离膜，透气毡、聚四氟乙烯脱模布和真空袋，在烘箱或热压罐内完成固化，具体固化温度、压力及时间依据树脂基体的流变及固化反应特性决定。

步骤三、固化后的复合材料管件经脱模、修理后两端安装金属管接头即可得到复合材料驱动器。金属管接头为可拆卸式管接头或不可拆卸式管接头，金属管接头与复合材料管连接后在工作压力条件下连接部位不发生泄漏或损坏。

所述纤维的种类包括下列任意一种或多种纤维的组合：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。

所述的树脂为热塑性弹性体或交联硫化橡胶：其中，热塑性弹性体为苯乙烯类、烯烃类、双烯类、氯乙烯类、氨酯类、酯类、酰胺类、有机氟类和有机硅类中任意一种；交联硫化橡胶为天然橡胶、异戊橡胶、丁苯橡胶、乙丙橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶和聚硫橡胶中任意一种。

根据智能变形结构的变形需求，复合材料缩短型和伸长型驱动器可以单独或组合使用。当复合材料驱动器用于一维变形时，缩短型和伸长型驱动器单独使用，当复合材料驱动器用于二维或三维变形时，可通过设计缩短型和伸长型驱动器的空间位置布局实现，通常缩短型置于变形方向的内侧，伸长型置于变形方向的外侧。使用时，使用压缩空气或液压油作为驱动介质，将压缩空气或液压油充入不同类型的复合材料管，通过压力调节实现结构的不同变形行为，缩短型和伸长型驱动器的压力调节可分别控制或统一控制。

实施例1

选用T300(1k)碳纤维丝束，经三维编织机编织成圆管状纤维预成型体，模具直径为12mm，纤维编织角度为±30°，厚度为0.5mm。采用树脂膜熔渗工艺将纤维预成型体与硅橡胶胶膜复合并完成固化，经脱模修理后两端安装金属管接头，得到缩短型复合材料驱动器。使用时，使用压缩空气作为驱动介质，将压缩空气充入复合材料管，可通过调节压缩空气的压力实现复合材料驱动器产生不同的缩短变形量。

实施例2

选用T300(6k)碳纤维丝束与Kevlar-29芳纶纤维丝束，按等比例经三维编织机编织成圆管状纤维预成型体，模具直径为15mm，纤维编织角度为±85°，厚度为1mm。采用树脂真空吸注工艺将浇注型聚氨酯注入纤维预成型体中并完成固化，经脱模修理后两端安装金属管接头，得到伸长型复合材料驱动器。使用时，使用压缩空气作为驱动介质，将压缩空气充入复合材料管，可通过调节压缩空气的压力实现复合材料驱动器产生不同的伸长变形量。

实施例3

选用荷兰DSM公司的Dyneema SK60超高分子量量聚乙烯纤维，经三维编织机编织成圆管状纤维预成型体，模具直径为20mm，纤维编织角度为±70°，厚度为1mm。采用树脂膜熔渗工艺将SBS热塑性弹性体薄膜与纤维预成型体复合并完成固化，经脱模修理后两端安装金属管接头，得到伸长型复合材料驱动器。使用时，使用液压油作为驱动介质，将液压油充入复合材料管，可通过调节压缩空气的压力实现复合材料驱动器产生不同的伸长变形量。

Claims (4)

1.一种复合材料驱动器的制备方法，其特征在于：复合材料驱动器由金属管接头和复合材料管组成，其中复合材料管为三维编织纤维增强复合材料，其横截面为圆形，复合材料管分为缩短型和伸长型，以复合材料管的轴向作为0°，缩短型纤维编织角度为±5°至±45°之间任意角度，伸长型纤维编织角度为±45°至88°之间任意角度，其制备步骤如下：

步骤一、采用三维编织机将纤维按预定的角度、设计厚度和长度编织到圆柱形芯模上，制备得到纤维预成型体；

步骤二、根据树脂基体的流变特性，选用树脂传递模塑成型、树脂真空吸注成型或树脂膜熔渗工艺，将树脂与纤维预成型体复合并完成固化；

步骤三、将固化后的复合材料管脱模、修理后两端安装金属管接头即可得到复合材料驱动器。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料驱动器的制备方法，其特征在于，所述纤维的种类包括下列任意一种或多种纤维的组合：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所述的一种复合材料驱动器的制备方法，其特征在于：所述的树脂为热塑性弹性体或交联硫化橡胶：其中，热塑性弹性体为苯乙烯类、烯烃类、双烯类、氯乙烯类、氨酯类、酯类、酰胺类、有机氟类和有机硅类中任意一种；交联硫化橡胶为天然橡胶、异戊橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶和聚硫橡胶中任意一种。

4.根据权利要求1中所述的一种复合材料驱动器的制备方法，其特征在于，所述的金属管接头为可拆卸式管接头或不可拆卸式管接头，金属管接头与复合材料管连接并充入压力介质后，在使用压力下接头部位不发生泄漏或损坏。