CN108045038B - 一种复合材料双稳态自伸展结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合材料双稳态自伸展结构及其制造方法，该双稳态自伸展结构存在伸展构型和卷拢构型两种稳定构型；所述伸展构型为主稳态，所述卷拢构型为次稳态，并且次稳态在外界激励下可自发转变为主稳态。制造方法包括如下步骤：制备复合材料片材、制备模压成型所用模具、铺层、合模、加热加压、固化、脱模。本发明通过复合材料细观结构设计，实现了复合材料结构在两种稳态构型下的能量可控，达到自发伸展的设计目标，具有自伸展、高承载、长寿命的优点。所述双稳态自伸展结构处于主稳态时的承载力在200kg以上，重复使用寿命不低于500次，轴向拉伸/压缩模量不低于30GPa，弯曲模量不低于20GPa，管材厚度不低于0.8mm。

Description

一种复合材料双稳态自伸展结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及机械结构技术领域，尤其涉及一种复合材料双稳态自伸展结构及其制造方法。
背景技术
利用木工钢尺伸展-卷拢的基本原理，英国剑桥大学工程系Pellegrino博士等人率先进行了双稳态复合材料结构的研究与应用，设计了一类基于反对称铺层的复合材料双稳态结构，这类结构广泛应用于航天飞行器自锁铰、可延伸探测器以及电子通讯领域可延展杆等构件。
近年来，Rolatube公司将复合材料双稳态结构逐渐发展为具有一定承载能力的工程复合材料结构，并将之应用于消防梯、担架、机枪枪托、天线支架等工程结构。
本发明提出了一种基于双稳态构型的智能复合材料结构，可以实现自伸展、易卷拢、高承载、长寿命的优异结构性能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的是双稳态复合材料无法自动伸展的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
一种复合材料双稳态自伸展结构，存在伸展构型和卷拢构型两种稳定构型；所述伸展构型为主稳态，所述卷拢构型为次稳态，并且次稳态在外界激励下可自发转变为主稳态。
优选地，所述双稳态自伸展结构在主稳态时为横截面为c型或o型的开口管材；所述双稳态自伸展结构在次稳态时为横截面为平直截面的多层卷材，且主稳态在外界激励下无法自发转变为次稳态。
优选地，所述双稳态自伸展结构通过铺设铺层并模压成型，并且铺层按照如下方式进行铺设：
位于中间的中性层的铺层设计为：0°/0°/90°/90°/0°/0°，中性层上下两侧区域的铺层设计为斜交铺层，并且上下两侧区域的铺层为反对称铺层。
优选地，将多层卷材打开1～2倍卷材宽度的长度，所述双稳态自伸展结构由次稳态自发转变为主稳态。
优选地，将所述开口管材沿轴向卷拢，所述双稳态自伸展结构由主稳态变为次稳态。
优选地，所述双稳态自伸展结构采用复合材料制备而成，所述复合材料包含纤维和树脂；
所述纤维选自玻璃纤维、碳纤维、蓝宝石纤维、硼纤维、玄武岩纤维、芳纶、氨纶或腈纶中的任一种，优选为玻璃纤维；
所述树脂选自环氧树脂、不饱和聚酯、乙烯基树脂、聚氨酯、聚氰酸脂、苯并噁嗪、双马来酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚芳咪酮或热塑性聚酰亚胺中的任一种，优选为环氧树脂。
优选地，所述双稳态自伸展结构处于主稳态时的承载力在200kg以上，重复使用寿命不低于500次，轴向拉伸/压缩模量不低于30GPa，弯曲模量不低于20GPa，管材厚度不低于0.8mm。
优选地，所述双稳态自伸展结构还包括补强层；所述补强层由纤维和树脂复合而成；
优选地，处于主稳态的所述双稳态自伸展结构的上端区域和下端区域分别设置有第一补强层和第二补强层；
进一步优选地，距离所述双稳态自伸展结构的上端边缘5～10％长度的区域内设置有第一补强层，所述第一补强层的厚度为0.1～0.2mm；距离所述双稳态自伸展结构的下端边缘5～10％长度的区域内设置有第二补强层，所述第二补强层的厚度为0.1～0.2mm。
本发明还提供了一种上述双稳态自伸展结构的制造方法，所述制造方法包括如下步骤：
(1)制备复合材料片材：将复合材料中的纤维相和树脂复合，并制成片材；
(2)制备模压成型所用模具：所述模具包括上模和下模，所述模具的模腔形状为所述双稳态自伸展结构的主稳态构型；
(3)铺层：按照铺层设计要求将所述复合材料片材依次铺设于模压成型所用模具的下模中；
(4)合模；
(5)加热加压；
(6)固化；和
(7)脱模。
优选地，当所述双稳态自伸展结构还包括补强层时，所述制备方法还包括制备补强层片材的步骤：将补强层中的纤维和树脂复合，并制成片材；以及
所述步骤(2)按照如下方式进行：
按照铺层设计要求将所述复合材料片材和所述补强层片材依次铺设于模压成型所用模具的下模中。
(三)有益效果
本发明所述的复合材料自伸展结构存在两种稳态构型和一种过渡态构型，通过复合材料细观结构设计，本发明实现了复合材料结构在两种稳态构型下的能量可控，并合理设计过渡态构型的能量梯度方向，从而达到复合材料双稳态结构自发伸展的设计目标，具有自伸展、高承载、长寿命的优点，该结构可用作便携梯、便携担架、便携天线以及行军帐篷等工程结构的主承载部件。
附图说明
图1是本发明结构处于伸展构型时的结构示意图；
图2是本发明结构处于卷拢构型时的结构示意图；
图3是本发明结构处于过渡态构型时的结构示意图；
图4是本发明结构不同构型的能量相图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1、图2和图3所示，本发明提供了一种复合材料双稳态自伸展结构，存在伸展构型(即图1所示构型)和卷拢构型(即图2所示构型)两种稳定构型；所述伸展构型为主稳态，所述卷拢构型为次稳态，并且次稳态在外界激励下可自发转变为主稳态。优选地，所述双稳态自伸展结构在主稳态时为横截面为c型或o型的开口管材(当所述双稳态自伸展结构在主稳态时为横截面为o型的开口管材时，由于该自伸展结构为开口结构，因此，此处的o型的含义是指该结构的横截面呈o型，但不是闭合结构)；所述双稳态自伸展结构在次稳态时为横截面为平直截面的多层卷材，且主稳态在外界激励下无法自发转变为次稳态。进一步优选地，所述双稳态自伸展结构通过铺设铺层并模压成型，并且铺层按照如下方式进行铺设：
位于中间的中性层的铺层设计为：0°/0°/90°/90°/0°/0°，中性层上下两侧区域的铺层设计为斜交铺层，并且上下两侧区域的铺层为反对称铺层。
本发明通过复合材料细观结构设计，设计出特定的铺设设计，从而实现了复合材料结构在两种稳态构型下的能量可控，并合理设计过渡态构型的能量梯度方向，从而达到复合材料双稳态结构自发伸展的设计目标，不同构型之间的能量相图示意如图4所示：
(1)主稳态，即伸展构型，如图1，是横截面为c型或o型的开口管材，系统能量为最小值。
(2)次稳态，即卷拢构型，如图2，是截面为平直截面的多层卷材，系统能量为极小值。
(3)过渡态构型，如图3，结构处于过渡态时，一端为卷拢构型，另一端为伸展构型；此种构型状态下能量梯度指向结构发生伸展的方向，结构形态会发生不稳定转变，即次稳态构型自主伸展为主稳态构型。
由于主稳态构型的能量低，而次稳态构型的能量高，因此，本发明提供的双稳态自伸展结构在给予外界激励的作用下，从次稳态自发转变为主稳态。因此，将多层卷材打开1～2倍卷材宽度的长度时，所述双稳态自伸展结构可以由次稳态自发转变为主稳态。
也正是由于主稳态构型的能量低，而次稳态构型的能量高，因此，本发明提供的双稳态自伸展结构在给予外界激励的作用下，无法从主稳态自发转变为次稳态。当然，这并不意味着本发明提供的这一结构无法从主稳态转变为次稳态。在持续给予外界激励的情况下，所述双稳态自伸展结构可以由主稳态变为次稳态。因此，将所述开口管材沿轴向卷拢时，所述双稳态自伸展结构可以由主稳态变为次稳态。
本发明提供的这一双稳态自伸展结构采用复合材料制备而成，所述复合材料包含纤维和树脂；所述纤维选自玻璃纤维、碳纤维、蓝宝石纤维、硼纤维、玄武岩纤维、芳纶、氨纶或腈纶中的任一种，优选为玻璃纤维；所述树脂选自环氧树脂、不饱和聚酯、乙烯基树脂、聚氨酯、聚氰酸脂、苯并噁嗪、双马来酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚芳咪酮或热塑性聚酰亚胺中的任一种，优选为环氧树脂。
经检测，本发明提供的这一双稳态自伸展结构处于主稳态时的承载力在200kg以上，重复使用寿命不低于500次，轴向拉伸/压缩模量不低于30GPa，弯曲模量不低于20GPa，管材厚度不低于0.8mm。
在一些实施例中，本发明提供的这一双稳态自伸展结构还包括补强层；所述补强层由纤维和树脂复合而成；优选地，处于主稳态的所述双稳态自伸展结构的上端区域和下端区域分别设置有第一补强层和第二补强层；进一步优选地，距离所述双稳态自伸展结构的上端边缘5～10％长度(这里的长度是指所述双稳态自伸展结构处于主稳态时，开口管材在轴向上的长度)的区域内设置有第一补强层，所述第一补强层的厚度为0.1～0.2mm；距离所述双稳态自伸展结构的下端边缘5～10％长度(此处长度的含义同上文，也是指所述双稳态自伸展结构处于主稳态时，开口管材在轴向上的长度)的区域内设置有第二补强层，所述第二补强层的厚度为0.1～0.2mm。所述第一补强层离所述双稳态自伸展结构的上端边缘的距离同所述第二补强层离所述双稳态自伸展结构的下端边缘的距离可以相同，也可以不相同。所述第一补强层的厚度和所述第二补强层的厚度可以相同，也可以不相同。这些都可以根据需要确定。
本发明还提供了一种上述双稳态自伸展结构的制造方法，所述制造方法包括如下步骤：
(1)制备复合材料片材：将复合材料中的纤维相和树脂复合，并制成片材；在该步骤中，所用的复合方法可以选择常规的纤维和树脂复合的方法。
(2)制备模压成型所用模具：所述模具包括上模和下模，所述模具的模腔形状为所述双稳态自伸展结构的主稳态构型。
(3)铺层：按照铺层设计要求将所述复合材料片材依次铺设于模压成型所用模具的下模中。
(4)合模。
(5)加热加压，加热温度和加压压力可以根据所用的树脂确定。
(6)固化，固化时间和固化温度可以根据所用的树脂确定。
(7)脱模。
优选地，当所述双稳态自伸展结构还包括补强层时，所述制备方法还包括制备补强层片材的步骤：将补强层中的纤维和树脂复合，并制成片材；以及
所述步骤(2)按照如下方式进行：
按照铺层设计要求将所述复合材料片材和所述补强层片材依次铺设于模压成型所用模具的下模中。
以下为本发明提供的实施例。
实施例1
结构设计：所述双稳态自伸展结构在主稳态时为横截面为c型的开口管材，所述双稳态自伸展结构在次稳态时为横截面为平直截面的多层卷材，且主稳态在外界激励下无法自发转变为次稳态。主稳态结构管材长度2000mm，管材截面形状C型，开口角度40°，管材直径85mm，厚度1mm；次稳态结构卷材宽度240mm，内径110mm，外径160mm，卷材层数5层。
铺层序列：+45°/-45°/0°/0°/90°/90°/0°/0°/+45°/-45°。
复合材料选材：玻璃纤维复合环氧树脂，其中玻璃纤维为增强体，树脂为基体。
制备方法包括如下步骤：
S11、制备复合材料片材：将复合材料中的纤维相(实施例1为玻璃纤维)和树脂制成预渍料，并制成片材。
S12、制备模压成型所用模具：所述模具包括上模和下模，所述模具的模腔形状为所述双稳态自伸展结构的主稳态构型；
S13、铺层：按照铺层设计要求将所述复合材料片材依次铺设于模压成型所用模具的下模中；
S14、合模；
S15、加热加压；
S16、固化，固化温度为160℃，固化时间为3h；和
S17、脱模。
本实施例制得的复合材料双稳态自伸展结构，存在伸展构型和卷拢构型两种稳定构型；所述伸展构型为主稳态，所述卷拢构型为次稳态，并且次稳态在外界激励下可自发转变为主稳态。将多层卷材打开2倍卷材宽度的长度，所述双稳态自伸展结构由次稳态自发转变为主稳态。将所述开口管材沿轴向卷拢，所述双稳态自伸展结构由主稳态变为次稳态。所述双稳态自伸展结构处于主稳态时的承载力在200kg以上，重复使用寿命不低于500次，轴向拉伸/压缩模量不低于30GPa，弯曲模量不低于20GPa。
实施例2
结构设计：所述双稳态自伸展结构在主稳态时为横截面为c型的开口管材，所述双稳态自伸展结构在次稳态时为横截面为平直截面的多层卷材，且主稳态在外界激励下无法自发转变为次稳态。主稳态结构管材长度2000mm，管材截面形状C型，开口角度40°，管材直径85mm，厚度1-1.2mm，为变厚度结构(具体变化方式见铺层序列设计)；次稳态结构卷材宽度240mm，内径110mm，外径160mm，卷材层数5层。铺层序列：
(a)管材两端200mm铺层序列为：
45°/-45°/+45°/0°/0°/90°/90°/0°/0°/-45°/+45°/-45°；
(b)管材中段1600mm铺层序列为：
+45°/-45°/0°/0°/90°/90°/0°/0°/+45°/-45°。
复合材料选材：同实施例1。
补强层选材：同实施例1。
制备方法包括如下步骤：
S21、制备复合材料片材：将复合材料中的纤维相(即玻璃纤维)和树脂制成预渍料，并制成片材。
S22、制备补强层片材：将补强层中的纤维相(即玻璃纤维)和树脂制成预渍料，并制成片材。
S23、制备模压成型所用模具：所述模具包括上模和下模，所述模具的模腔形状为所述双稳态自伸展结构的主稳态构型；
S24、铺层：按照铺层设计要求将所述复合材料片材和补强层片材依次铺设于模压成型所用模具的下模中；
S25、合模；
S26、加热加压；
S27、固化，固化温度为160℃，固化时间为3h；和
S28、脱模。
本实施例制得的复合材料双稳态自伸展结构，存在伸展构型和卷拢构型两种稳定构型；所述伸展构型为主稳态，所述卷拢构型为次稳态，并且次稳态在外界激励下可自发转变为主稳态。将多层卷材打开2倍卷材宽度的长度，所述双稳态自伸展结构由次稳态自发转变为主稳态。将所述开口管材沿轴向卷拢，所述双稳态自伸展结构由主稳态变为次稳态。所述双稳态自伸展结构处于主稳态时的承载力在200kg以上，重复使用寿命不低于500次，轴向拉伸/压缩模量不低于30GPa，弯曲模量不低于20GPa。
实施例3
结构设计：所述双稳态自伸展结构在主稳态时为横截面为c型的开口管材，所述双稳态自伸展结构在次稳态时为横截面为平直截面的多层卷材，且主稳态在外界激励下无法自发转变为次稳态。主稳态结构管材长度2000mm，管材截面形状C型，开口角度30°，管材直径85mm，厚度1mm；次稳态结构卷材宽度240mm，内径110mm，外径160mm，卷材层数5层。
铺层序列：+45°/-45°/0°/0°/90°/90°/0°/0°/+45°/-45°。
复合材料选材：碳纤维复合环氧树脂，其中碳纤维为增强体，树脂为基体。
制备方法同实施例1。
本实施例制得的复合材料双稳态自伸展结构，存在伸展构型和卷拢构型两种稳定构型；所述伸展构型为主稳态，所述卷拢构型为次稳态，并且次稳态在外界激励下可自发转变为主稳态。将多层卷材打开2倍卷材宽度的长度，所述双稳态自伸展结构由次稳态自发转变为主稳态。将所述开口管材沿轴向卷拢，所述双稳态自伸展结构由主稳态变为次稳态。所述双稳态自伸展结构处于主稳态时的承载力在200kg以上，重复使用寿命不低于500次，轴向拉伸/压缩模量不低于30GPa，弯曲模量不低于20GPa。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种复合材料双稳态自伸展结构，其特征在于，存在伸展构型和卷拢构型两种稳定构型；所述伸展构型为主稳态，所述卷拢构型为次稳态，并且次稳态在外界激励下可自发转变为主稳态；所述双稳态自伸展结构在主稳态时为横截面为c型或o型的开口管材；所述双稳态自伸展结构在次稳态时为横截面为平直截面的多层卷材，且主稳态在外界激励下无法自发转变为次稳态；将多层卷材打开1～2倍卷材宽度的长度，所述双稳态自伸展结构由次稳态自发转变为主稳态；将所述开口管材沿轴向卷拢，所述双稳态自伸展结构由主稳态变为次稳态；
所述双稳态自伸展结构通过铺设铺层并模压成型，并且铺层按照如下方式进行铺设：位于中间的中性层的铺层设计为：0°/0°/90°/90°/0°/0°，中性层上下两侧区域的铺层设计为斜交铺层，并且上下两侧区域的铺层为反对称铺层；
所述双稳态自伸展结构还包括补强层；所述补强层由纤维和树脂复合而成；距离所述双稳态自伸展结构的上端边缘5～10％长度的区域内设置有第一补强层，所述第一补强层的厚度为0.1～0.2mm；距离所述双稳态自伸展结构的下端边缘5～10％长度的区域内设置有第二补强层，所述第二补强层的厚度为0.1～0.2mm；
所述双稳态自伸展结构处于主稳态时的承载力在200kg以上，重复使用寿命不低于500次，轴向拉伸/压缩模量不低于30GPa，弯曲模量不低于20GPa，管材厚度不低于0.8mm。
2.根据权利要求1所述双稳态自伸展结构，其特征在于，所述双稳态自伸展结构采用复合材料制备而成，所述复合材料包含纤维和树脂；
所述纤维选自玻璃纤维、碳纤维、蓝宝石纤维、硼纤维、玄武岩纤维、芳纶、氨纶或腈纶中的任一种；
所述树脂选自环氧树脂、不饱和聚酯、乙烯基树脂、聚氨酯、聚氰酸脂、苯并噁嗪、双马来酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚芳咪酮或热塑性聚酰亚胺中的任一种。
3.根据权利要求2所述双稳态自伸展结构，其特征在于，所述纤维为玻璃纤维；所述树脂为环氧树脂。
4.权利要求1至3任一项所述双稳态自伸展结构的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括如下步骤：
(1)制备复合材料片材：将复合材料中的纤维相和树脂复合，并制成片材；
(2)制备模压成型所用模具：所述模具包括上模和下模，所述模具的模腔形状为所述双稳态自伸展结构的主稳态构型；
(3)铺层：按照铺层设计要求将所述复合材料片材依次铺设于模压成型所用模具的下模中；
(4)合模；
(5)加热加压；
(6)固化；和
(7)脱模。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，当所述双稳态自伸展结构还包括增强相时，所述制备方法还包括制备增强相片材的步骤：将补强层中的纤维和树脂复合，并制成片材；以及
所述步骤(2)按照如下方式进行：
按照铺层设计要求将所述复合材料片材和所述补强层片材依次铺设于模压成型所用模具的下模中。
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