CN107599445A - 一种复合材料点阵结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种复合材料点阵结构及制备方法，由上面板、下面板以及设置在上下面板之间的点阵芯子构成，所述点阵芯子是由点阵芯三角形纤维和梯形纤维穿插而成，上下面板中设有泡沫夹层，结构采用特定的注入方式进行VARTM成型。本发明的点阵结构制备方法包括以下七个步骤：(1)可熔性合金型芯制备；(2)三角形纤维穿插；(3)上下面板底层纤维铺设；(4)梯形纤维穿插；(5)面板夹心布置及面板表层纤维铺设；(6)VARTM(真空辅助树脂传递模塑工艺)成型；(7)加热熔化可熔性合金型芯。本发明有效地解决了复合材料点阵芯与面板之间的连接问题，一体成型，质量可靠、工艺简单、节点强度高。

Description

一种复合材料点阵结构及制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料点阵结构及制备方法，特别涉及一种复合材料点阵结构制备工艺，属于工程材料制备、结构设计领域。

背景技术

2001年,普林斯顿大学Evans教授、哈佛大学Hutchinson教授、剑桥大学Ashby教授、MIT的Gibson教授等首次提出了点阵夹芯结构概念。点阵结构既具有比强度、比刚度高的优势,又具有储能、制动、预埋等多功能潜力。虽然复合材料点阵结构制备方法取得一些成果，但是仍存在许多问题，一直是国内外的研究焦点。

当前复合材料点阵结构主要有如下制备方法：比如(1)使用金属模具，将多个模具组装成平板状，并在模具间和模具表面铺设碳纤维预寑料，然后合模后加热固化，最后脱模得到复合材料点阵结构；或者(2)通过模压的方式制备点阵芯，然后将点阵芯与面板粘接在一起；或者(3)使用水切割或者其他切割方法将复合材料波纹板或者平板切割成带槽口的折线形构件，然后装配得到点阵芯，最后和面板粘接在一起；或者(4)首先将两块带孔洞的复合材料面板进行固定，然后将浸润树脂的纤维束穿插在面板之间，固化后得到复合材料点阵结构；或者(5)使用带孔洞的可熔性石蜡胎板，表面铺设预寑料并将树脂基纤维束按照Z字形路径穿插在孔洞中，然后使用电子束辐射固化技术在常温下进行固化，最后脱蜡得到复合材料点阵结构。

上述方法(1)的金属模具加工复杂，合模困难，并且仅适用于平板结构，无法制备曲面复合材料点阵结构。上述方法(2)和方法(3)是采用粘接的方法将点阵芯和面板连接在一起的，粘接处强度低，节点易发生破坏。上述方法(4)的点阵芯纤维直接穿插在面板之间，固化时点阵芯纤维没有受到外部压力，点阵芯纤维杆件强度低。上述方法(5)使用了熔芯成型技术，有效地解决了成型模具问题，非常适合制备复杂形状的复合材料点阵结构，但是该方法杆件之间纤维不连续，纤维转折角度过大，板内穿插纤维凸起。

可熔性合金型芯成型技术，又叫熔芯成型，是纤维增强复合材料成型中的一种重要的新技术，具有生产效率高、成本低、成型工艺简单和容易制成各种复杂形状制品等优点。熔芯成型是结合传统的砂型铸造、失蜡铸造成型工艺与复合材料成型技术，利用低熔点合金作为型芯来生产形状复杂制品的新工艺。其基本原理是通过模具将低熔点合金浇铸制成熔芯嵌件，然后将熔芯嵌件放入模具中进行成型，冷却后取出含有熔芯嵌件的制件，再加热使低熔点合金熔化分离获得制品。

鉴于此，为解决上述技术问题，本发明人基于相关领域的研发，并经过不断测试及改良，进而有本发明的产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合材料点阵结构及制备方法，具有生产效率高、力学性能好的特点。

本发明一种复合材料点阵结构由上面板(1)、下面板(2)以及中间的点阵芯子(3)构成；所述点阵芯子(3)是由点阵芯三角形纤维(6)和第一束梯形纤维(7)、第二束梯形纤维(8)及第三束梯形纤维(9)穿插而成，上下面板中间设有泡沫夹层(13)，结构采用特定的注入方式进行VARTM成型。

所述的点阵芯子3为单向碳纤维束制成的杆件，同一位置的两个点阵芯杆件轴线与面板轴线交于一点。

所述的上面板(1)和下面板(2)的材质为及金属材料或复合材料。

本发明一种复合材料点阵结构的制备方法按以下步骤进行制备：

(1)制备低熔点合金型芯模，按照设计要求制备带孔洞(5)的可溶性合金型芯(4)；

(2)进行点阵芯三角纤维(6)穿插；

(3)进行上下面板底层纤维(10)铺设，将底层纤维织物铺设于表面并固定；

(4)进行第一束梯形纤维(7)、第二束梯形纤维(8)及第三束梯形纤维(9)穿插；

(5)进行泡沫夹层(13)布置及面板顶层纤维(12)铺设；

(6)进行VARTM成型，按照特定的铺设方法和注入顺序进行VARTM成型；

(7)进行加热融化可熔性合金型芯(4)。

所述的步骤中的(1)的孔洞(5)为贯通圆孔或方孔，直径和点阵芯子(3)的杆件直径相同，轴线与点阵芯轴线重合。

所述的步骤中的(2)和步骤(4)中的点阵芯三角纤维(6)、第一束梯形纤维(7)、第二束梯形纤维(8)及第三束梯形纤维(9)的穿插数量和比例需根据力学计算进行确定，在确定纤维数量后根据杆件纤维含量计算孔洞(5)大小。

所述的步骤中的(3)的面板底层纤维(10)的厚度和面板顶层纤维(12)厚度各占一半。

所述的步骤中的(5)的面板顶层纤维(12)铺设在面板底层纤维(10)上，面板顶层纤维(12)和面板底层纤维(10)之间设置凸起的梯形纤维(11)。

所述的步骤中的(7)在进行加热融化可熔性合金型芯(4)前，需在芯模表面涂抹脱模腊。

所述的步骤中的(3)的底层夹层纤维(10)不铺设时制备低熔点合金型芯模，使用带纤维槽(23)的可熔性合金型芯(4)；进行点阵芯与面板间的第一束梯形纤维(7)、第二束梯形纤维(8)及第三束梯形纤维(9)放入纤维槽(23)中。

本发明的有益效果在于：

(1)低熔点合金可重复利用，生产效率高，适合大规模生产复合材料点阵结构；

(2)结构受力合理，三角形纤维和梯形纤维互相穿插，节点强度高；

(3)VARTM一体成型，成品孔隙率低，产品质量可靠性高，环境污染小；

(4)纤维槽使得点阵芯对面板的力学性能影响降低，同时大大简化了工艺。

附图说明

图1是本发明提供的复合材料点阵结构平面图；

图2是本发明提供的复合材料点阵结构示意图；

图3是可熔性合金型芯平面图；

图4是可熔性合金型芯示意图；

图5是点阵芯三角形纤维穿插示意图；

图6是第一束点阵芯梯形纤维穿插示意图；

图7是第二束点阵芯梯形纤维穿插示意图；

图8是第三束点阵芯梯形纤维穿插示意图；

图9是所有点阵芯梯形纤维穿插示意图；

图10是面板无泡沫夹层结构横向剖视图；

图11是面板有泡沫夹层结构横向剖视图；

图12是VARTM注入成型示意图；

图13是带纤维槽的可熔性合金型芯平面图；

图14是带纤维槽的可熔性合金型芯示意图；

图15是梯形纤维内嵌于纤维槽横向剖视图；

图16是梯形纤维内嵌于纤维槽的成品示意图；

图17是有限元计算模型；

图18是有限元计算结果；

图19是无点阵芯三角形纤维的计算结果；

图20是1mm厚点阵芯三角形纤维的计算结果；

图21是2mm厚点阵芯三角形纤维的计算结果。

具体实施方式

有关本发明为达到上述的使用目的与功效及所采用的技术手段，现举出较佳可行的实施例，并配合附图所示，详述如下：

结合图1和图2所示，本发明为一种复合材料点阵结构，复合材料点阵结构成品包含上面板1、下面板2以及点阵芯子3，为避免偏心造成的弯矩，同一位置的两个点阵芯杆件轴线与面板轴线交于一点。

所述的上面板1和下面板2为中间穿插梯形纤维的织物，使用VARTM成型，根据设计，面板中可含PMI泡沫夹层13。

所述的点阵芯子3为单向碳纤维束制成的杆件，使用VARTM成型。

点阵结构的点阵芯3有多种形式，例如四面体型、金字塔型等，他们的共同点是都具有成列的锯齿形排列的杆件，为方便表述，本发明仅以一个方向点阵芯进行说明，其他构型可同理进行制备。

本发明采用了纤维穿插技术，点阵芯杆件与杆件之间、点阵芯杆件与面板之间都有连续不断的纤维，这样有效地保证节点的强度。

点阵结构中存在大量空腔，本发明采用可熔性型芯成型技术，用低熔点合金填充点阵结构中的空腔，以此作为复合材料成型的临时支撑，待纤维注入成型后加热熔化型芯便得到所需的点阵结构。

本发明一种复合材料点阵结构的制备方法，具体制作步骤：

步骤一：低熔点合金型芯模制备；

结合图3和图4所示，本发明采用的是可熔性合金型芯成型技术，所使用的可熔性合金型芯4由低熔点合金铸造而成，其中含有贯通的孔洞5。

所述的低熔点合金为伍德合金，其熔点高于成型的温度，且低于材料的马丁耐热温度，本发明采用熔点为60～70摄氏度的伍德合金，合金成分：铋38～50％、铅25～31％、锡12.5～15％、镉12.5～16％。

所述的孔洞5为贯通圆孔或方孔，直径和点阵芯子3的杆件直径相同，并且轴线与点阵芯轴线重合。

本发明同一孔洞5中有两种类型的纤维，点阵芯三角形纤维6和第一束梯形纤维7、第二束梯形纤维8及第三束梯形纤维9，两种纤维的穿插数量和比例需根据力学计算进行确定，在确定纤维数量后根据杆件纤维含量计算孔洞5大小，孔洞5过大会导致纤维含量低，杆件强度不足，而孔洞过小会导致纤维束穿插困难。

为了在结构成型后顺利熔出可熔性合金型芯4，需在芯模表面涂抹脱模腊，脱模腊的主要作用是为了保证芯模表面光洁度，避免树脂在注入时渗入芯模表面孔隙，造成芯模无法熔出，脱模腊应反复涂抹三遍，孔洞5处使用棉签进行涂抹，不应留有死角。

步骤二：点阵芯三角形纤维6穿插；

结合图5所示，点阵芯三角形纤维6要保证能顺利传递相邻杆件之间的力，点阵芯三角形纤维6在一组平面内以锯齿状穿过所有孔洞5，其穿插顺序如图中序号所示。穿插后使用胶带固定纤维束端部。同理，按照此过程再进行其它平面的点阵芯三角形纤维6的穿插工作。

步骤三：上下面板底层纤维10铺设；

完成点阵芯三角形纤维6的穿插工作后，将设计的上下面板底层纤维10铺设并固定在可熔性合金型芯4表面，可使用压板或胶带进行固定，先完成上面板1的铺设，然后再将整体翻转进行下面板2的铺设，在整个过程中面板纤维应固定不动。

面板总厚度根据承载要求进行设计，然后一分为二，面板底层纤维10厚度和面板顶层纤维12厚度各占一半，保证穿插的梯形纤维7、8、9与面板之间能有足够的抗剪强度。

步骤四：点阵芯与面板间的第一束梯形纤维7、第二束梯形纤维8及第三束梯形纤维9穿插；

结合图6至图9所示，一个平面内的点阵芯子3与面板间的第一束梯形纤维7、第二束梯形纤维8及第三束梯形纤维9共3束，按照相似规律进行穿插。

结合图6所示，第一束梯形纤维7的穿插顺序如图中序号①-⑨所示。

结合图7所示，第二束梯形纤维8的穿插顺序如图中序号①-⑩所示。

结合图8所示，第三束梯形纤维9的穿插顺序如图中序号①-⑨所示。。

然后对所有穿插的梯形纤维进行整理，并使用胶带进行固定，保证后续操作过程中位置不发生变化。

图9为所有点阵芯与面板间的第一束梯形纤维7、第二束梯形纤维8及第三束梯形纤维9穿插示意图，为了表达更清楚，图9中将面板中的纤维弯曲放大了比例，实际情况应该是拉直后的折线状。

以上是一个平面内的点阵芯与面板间的第一束梯形纤维7、第二束梯形纤维8及第三束梯形纤维9的典型穿插流程，按照此过程再进行其他平面的第一束梯形纤维7、第二束梯形纤维8及第三束梯形纤维9的穿插工作。

步骤五：泡沫夹层13布置及面板顶层纤维12铺设；

图10为面板无泡沫夹层结构的横向剖视图，完成第五步后直接将上下面板顶层纤维12铺设在面板底层纤维10上，可以看出在面板底层纤维10和面板顶层纤维12之间有凸起的梯形纤维11，这个凸起将导致面板顶层纤维12弯折，如果纤维量过多将严重影响面板质量，可在面板中加入泡沫夹层13来解决该问题。

结合图11所示，在上下面板底层纤维10上铺设厚度与凸起的梯形纤维11高度相同的泡沫夹层13，左右两块泡沫之间空隙刚好放下凸起的梯形纤维11，该方法保证了面板纤维织物的平直，同时又提升了面板受压的稳定性。

将设计的上下面板顶层纤维12铺设并固定在表面，同样可使用压板或胶带进行固定。

和步骤三一样，需要先铺设好上面板的泡沫夹层13和面板顶层纤维12，固定好之后整体翻转，再进行下面板的泡沫夹层13和面板顶层纤维12的铺设与固定。

步骤六：VARTM成型；

结合图12所示，在之前完成的工作基础上，依次铺设剥离布14、导流网15、螺旋管18、导流管(右上方导流管19、右下方导流管20、左上方导流管21、左下方导流管22)，然后铺设真空袋16并使用密封胶17进行密封，至此VARTM的密封工作完成。

然后进行气密性检查，首先将左上方导流管21和左下方导流管22使用三通接到树脂收集罐上，然后将右上方导流管19和右下方导流管20截流，随后抽真空，最后将左上方导流管21和左下方导流管22截流后保持真空12小时以上方可进行树脂注入。

确保内部的气密性后，打开左上方导流管21和左下方导流管22进行抽真空，然后将右上方导流管19和右下方导流管20插入事先准备好的树脂中，打开右下方导流管20开始注入树脂，树脂沿导流管流入螺旋管18后沿导流网15快速在下面板2流动，随后树脂经孔洞5流至上面板1，当在上表面看见树脂时，打开右上方导流管19，开始上面板1的树脂注入，当树脂抵达左下方导流管22时将其截流，当树脂抵达左上方导流管21时将其截流，等待片刻后将右上方导流管19和右下方导流管20截流，至此树脂注入工作结束，接下来保持密闭，常温下固化即可。

步骤七：加热熔化可熔性合金型芯4。

固化完成后剥离真空袋16和剥离布14，然后整个放入90度热水中加热，待可熔性合金型芯4完全熔化后取出复合材料点阵结构成品。采用热水浴能准确控制加热温度，增加热传递，避免低熔点合金被空气氧化。

上述步骤三是上下面板底层纤维10铺设，将第一束梯形纤维7、第二束梯形纤维8及第三束梯形纤维9穿插在面板中间可有效保证梯形纤维7、8、9和面板之间的抗剪能力，但该工艺复杂，面板底层纤维10铺设困难，如果在满足剪切强度的前提下不铺设面板底层纤维10而直接铺设面板顶层纤维12，工艺将得到大大简化，结合图15和图16。

为减小梯形纤维对面板顶层纤维12平整性的影响，本发明提出在可熔性合金型芯4的基础上开设纤维槽23，得到带纤维槽23的可熔性合金型芯4，将第一束梯形纤维7、第二束梯形纤维8及第三束梯形纤维9直接铺设在纤维槽23内，使得面板顶层纤维12刚好铺平。

这个的主要制作步骤与上述具体制作步骤二相似，区别在于：

步骤一：使用带纤维槽23的可熔性合金型芯4，结合图13和14。

步骤三：无需进行上下面板底层纤维10的铺设。

步骤四：点阵芯与面板间的梯形纤维7/8/9放入纤维槽23中，结合图15。

实施例

为证明本发明中制备出复合材料点阵结构的力学性能优势，采用ABAQUS有限元软件进行了数值模拟，图17所示的有限元模型中显示了100mm×100mm的板域，带有两根点阵芯杆件，点阵芯杆件角度为45度，板四周铰支。

复合材料点阵结构一般在节点处发生破坏，为了准确模拟节点处的破坏行为，使用Surface-based Cohesive Behavior模拟纤维之间的分层行为。建立了每一束纤维杆件的有限元模型，使用C3D8R三维实体缩减积分单元进行模拟。材料为碳纤维，面板厚度4mm，梯形纤维杆件截面2mm×2mm。为了讨论三角形纤维对结构受力的影响，分别分析了无三角形纤维、1mm厚三角形纤维以及2mm厚三角形纤维的破坏形式。

结合图18为结构的剪切力-剪切位移曲线。由图18可以看出，无三角形纤维和1mm三角形纤维的极限承载力相差不大，而有2mm三角形纤维的点阵结构抗剪承载力有很大的提升。如图19所示，无三角形纤维的结构会出现上下面板分层现象。如图20所示，有1mm三角形纤维的点阵结构的三角形纤维和梯形纤维之间会发生分层，最终破坏为面板开裂和杆件开裂。如图21所示，由于三角形纤维截面较大，虽然杆件出现了分层，但最终破坏形式还是以面板分层为主。计算表明，纤维强度有较大的富余，结构以分层失效为主，因此若将Z-pin技术运用于面板成型，将更加有利于提升节点强度。数值结果进一步表明：本发明的纤维穿插工艺制备的点阵结构力学性能优异，三角形纤维和梯形纤维相互配合，能充分保证复合材料点阵结构的节点强度。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，基于本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合材料点阵结构及制备方法，其特征在于：该结构由上面板(1)、下面板(2)以及中间的点阵芯子(3)构成；所述点阵芯子(3)是由点阵芯三角形纤维(6)和第一束梯形纤维(7)、第二束梯形纤维(8)及第三束梯形纤维(9)穿插而成，上下面板中间设有泡沫夹层(13)，结构采用特定的注入方式进行VARTM成型。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料点阵结构及制备方法，其特征在于：所述的点阵芯子3为单向碳纤维束制成的杆件，同一位置的两个点阵芯杆件轴线与面板轴线交于一点。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料点阵结构及制备方法，其特征在于：所述的上面板(1)和下面板(2)的材质为及金属材料或复合材料。

4.一种复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于，一种复合材料点阵结构的制备方法按以下步骤进行制备：

(1)制备低熔点合金型芯模，按照设计要求制备带孔洞(5)的可溶性合金型芯(4)；

(2)进行点阵芯三角纤维(6)穿插；

(3)进行上下面板底层纤维(10)铺设，将底层纤维织物铺设于表面并固定；

(4)进行第一束梯形纤维(7)、第二束梯形纤维(8)及第三束梯形纤维(9)穿插；

(5)进行泡沫夹层(13)布置及面板顶层纤维(12)铺设；

(6)进行VARTM成型，按照特定的铺设方法和注入顺序进行VARTM成型；

(7)进行加热融化可熔性合金型芯(4)。

5.根据权利要求4所述的一种复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤中的(1)的孔洞(5)为贯通圆孔或方孔，直径和点阵芯子(3)的杆件直径相同，轴线与点阵芯轴线重合。

6.根据权利要求4所述的一种复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤中的(2)和步骤(4)中的点阵芯三角纤维(6)、第一束梯形纤维(7)、第二束梯形纤维(8)及第三束梯形纤维(9)的穿插数量和比例需根据力学计算进行确定，在确定纤维数量后根据杆件纤维含量计算孔洞(5)大小。

7.根据权利要求4所述的一种复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤中的(3)的面板底层纤维(10)的厚度和面板顶层纤维(12)厚度各占一半。

8.根据权利要求4所述的一种复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤中的(5)的面板顶层纤维(12)铺设在面板底层纤维(10)上，面板顶层纤维(12)和面板底层纤维(10)之间设置凸起的梯形纤维(11)。

9.根据权利要求4所述的一种复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤中的(7)在进行加热融化可熔性合金型芯(4)前，需在芯模表面涂抹脱模腊。

10.根据权利要求4所述的一种复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤中的(3)的底层夹层纤维(10)不铺设时制备低熔点合金型芯模，使用带纤维槽(23)的可熔性合金型芯(4)；进行点阵芯与面板间的第一束梯形纤维(7)、第二束梯形纤维(8)及第三束梯形纤维(9)放入纤维槽(23)中。