CN108314879B - 一种平面内全方位零膨胀复合材料层压板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种平面内全方位零膨胀复合材料层压板。本发明由碳纤维树脂层和芳纶层经过固化成型制成。所述的碳纤维树脂层和芳纶层按一定的厚度比间隔铺层。碳纤维树脂层纤维方向沿0°/90°/45°/135°循环铺层。芳纶层的经线方向沿0°/45°循环铺层。碳纤维树脂层和芳纶层的铺层厚度和纤维方向关于中性面对称。本发明利用现有材料的混和铺层设计，使层压板其沿面内各个方向的热膨胀系数均为0，实现了材料的平面内全方位零膨胀。可应用于空间超高频遥感反射器，使其型面精度满足电气性能要求，即反射面热变形RMS≤10μm。

Description

一种平面内全方位零膨胀复合材料层压板
技术领域
本发明属于航天器高频段通讯及遥感反射器材料技术领域，涉及一种平面内全方位零膨胀复合材料层压板。
背景技术
随着卫星技术的发展，星载超高频微波反射器在卫星通讯及观测中的使用频率越来越高。卫星在轨运行时，由于太阳辐照、地球对太阳光的反射以及地球红外辐射等外热流会随时间变化，卫星反射器在轨运行过程中会经历较大的温差变化，因此需要减少反射器的在轨热变形，以满足反射面电性能的要求。反射器电气性能一般要求反射器型面精度(RMS值)不超过工作频段微波波长的五十分之一，因此，空间超高频遥感反射器(工作频段100GHz-600GHz)要求其反射面RMS≤10μm。
星载超高频微波反射器的反射面多为由碳纤维复合材料制成的抛物面结构，常规碳纤维复合材料制作的反射器，一般热变形RMS值大于50μm。降低星载超高频微波反射器热变形的方法可以分为结构和材料两方面，结构上通过增加反射面厚度可大幅降低热变形，但会使反射器质量过重，不满足反射器轻量化的发展要求。因此应从降低材料热膨胀系数方面考虑，使用低膨胀材料甚至零膨胀材料作为反射器的主要材料，才能使反射器达到热变形指标要求；由此提出一种零膨胀复合材料层压板，沿板的平面内各方向热膨胀系数均为零，可用作反射面材料、反射面背架材料、反射器支臂材料及其他固定连接件材料。发明内容本发明的目的就是提供一种平面内全方位零膨胀复合材料层压板。
本发明由碳纤维树脂层和芳纶层经过固化成型制成。所述的碳纤维树脂层和芳纶层间隔铺层，每隔n层，n≥1碳纤维树脂层，铺设一层芳纶层。碳纤维树脂层纤维方向沿0°/90°/45°/135°循环铺层。芳纶层的经线方向沿0°/45°循环铺层。碳纤维树脂层和芳纶层的铺层厚度和纤维方向关于中性面对称。碳纤维树脂层和芳纶层的厚度比为：
Figure BDA0001597333030000021
hC为碳纤维树脂层的总厚度，hK为芳纶层的总厚度；αC、αK分别为碳纤维树脂层和芳纶层的热膨胀系数，EC、EK分别为碳纤维树脂层和芳纶层弹性模量。
所述的碳纤维树脂层是由碳纤维浸润在树脂基体中形成的成品预浸料。碳纤维采用存在单方向热膨胀系数小于0的碳纤维。树脂选用环氧树脂、醋酸乙烯树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂或氰酸酯树脂。
所述的芳纶层采用芳纶纤维。
所述的碳纤维树脂层和芳纶层采用机械剪裁或者手工剪裁，手工铺层，每4～5层抽真空一次，铺层完毕后用真空袋密封，通过热压真空固化成型。
芳纶纤维选用Kevlar29、Kevlar49、Kevlar149、Twaron、Kevlar Ht(129)、KevlarHp(68)、Kevlar Hm(149)、Kevlar Hc(119)，纤维层形态包括芳纶纤维平纹织物、其他编织形式的织物、以及单向纤维正交铺层。
本发明利用现有材料的混和铺层设计，使层压板其沿面内各个方向的热膨胀系数均为0，实现了材料的平面内全方位零膨胀。本发明可应用于空间超高频遥感反射器(工作频段为100GHz-600GHz)，使其型面精度满足电气性能要求，即反射面热变形RMS≤10μm。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明实施例中碳纤维树脂层0°方向示意图；
图3为本发明实施例中碳纤维树脂层90°方向示意图；
图4为本发明实施例中碳纤维树脂层45°方向示意图；
图5为本发明实施例中碳纤维树脂层135°方向示意图；
图6为本发明实施例中芳纶平纹织物层0°方向示意图；
图7为本发明实施例中芳纶平纹织物层45°方向示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行进一步的描述。
如图1所示,一种平面内全方位零膨胀复合材料层压板包含碳纤维树脂层和芳纶平纹织物层，两种材料按照厚度比固定的角度循环铺层，碳纤维树脂层按照0°/45°/90°/135°循环铺层，如图2～5所示，为0°碳纤维树脂层21、90°碳纤维树脂层22、45°碳纤维树脂层23、135°碳纤维树脂层24；芳纶平纹织物按照[0°/45°]循环铺层，如图6和7所示，为0°芳纶平纹织物层25，45°芳纶平纹织物层26，该零膨胀材料中碳纤维树脂层和芳纶层的厚度、方向均沿中性面对称。
本发明中碳纤维树脂层和芳纶纤维层的厚度比例符合下述关系式：
根据经典层合板理论，层合板中各单层都可以近似的认为处于平面应力状态。由此可以推导出对于只有温度荷载没有其他外力的对称层合板，其热膨胀系数可表示为式(1)：
Figure BDA0001597333030000031
其中，[α]为层叠材料中面内的热膨胀向量矩阵，[A]-1为柔度矩阵，
Figure BDA0001597333030000032
为第k层偏轴刚度矩阵，{α}k为第k层热膨胀系数向量，第k层顶的纵向坐标为zk，其底的坐标为zk-1，zk-zk-1为第k层厚度。
对于沿中面对称的层合板，整体刚度阵可简化成式(2)：
Figure BDA0001597333030000033
根据复合材料层合板理论，等厚、同材质的单向板上下对称且等角铺设，当n≥3(总层数N≥6)时，层合板的弹性特性和热膨胀特性都是面内各向同性的。按照准各向同性铺层方式，使层合板在面内具有各向同性的弹性性质和热膨胀性质，其刚度阵的元，也即诸刚度系数的计算公式为式(3)：
Figure BDA0001597333030000034
其中h为层合板总厚度，EL为第k层纵向弹性模量，ET为第k层横向弹性模量，GLT为第k层剪切模量，νLT、νTL为第k层材料主泊松比和次泊松比。
由此可进一步得到这种各向同性板的等效泊松比υ、等效模量E和等效面内热膨胀系数α，见式(4)。
Figure BDA0001597333030000041
由于这种零膨胀材料中的碳纤维单向带[0°/45°/90°/135°]循环铺层，各层厚度一致，并且各铺层角度相对于中性面对称，因此碳纤维树脂多层材料自身满足各向同性材料的铺层要求。同样，Kevlar平纹织物也是按照[0°/45°]循环铺层，因此也是满足各向同性材料铺层的要求。将碳纤维树脂和芳纶织物的参数分别带入(3)、(4)式中，得到由两种材料分别构成的等效各向同性材料的热膨胀系数(αC、αK)和弹性模量(EC、EK)。该零膨胀材料可看作由这两种各向同性材料混合而成。按照混合律计算公式，碳纤维树脂的体积为VC，芳纶的体积为VK，则混合材料的热膨胀系数αp为式(5)：
Figure BDA0001597333030000042
为得到零膨胀材料，令αp＝0，得到：
Figure BDA0001597333030000043
其中hC为碳纤维树脂层的总厚度，hK为芳纶层的总厚度。
由于芳纶层的等效各向同性热膨胀系数为负值，碳纤维树脂层的等效各向同性热膨胀系数为正值，因此，两种材料的厚度比为正值，说明该零膨胀材料能够实现。
碳纤维，包含存在单方向热膨胀系数小于0的所有碳纤维，比如T300、T400、T600、T700、T800、T1000、M40、M40J、M46J、M50J、M55J、M60J、M70J、UMS40、UMS45、UMS55、HR40、HS40、Thornel P-100S、Thornel P-120S、HM63、Thornel K-800X、Thornel K-1100。
树脂基体，包含环氧树脂、醋酸乙烯树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂、以及氰酸酯树脂。
芳纶纤维包括Kevlar29、Kevlar49、Kevlar149、Twaron、Kevlar Ht(129)、KevlarHp(68)、Kevlar Hm(149)、Kevlar Hc(119)，纤维层形态包括芳纶纤维平纹织物、其他编织形式的织物、以及单向纤维正交铺层。
本实施例采用的M40J/环氧树脂单向带是以M40J-3K碳纤维浸润在惠柏wp-s3000树脂中形成的成品预浸料，其中树脂质量含量为23.5％，密度为100g/m2。
芳纶纤维为国产芳纶平纹织布。
上述两种材料参数如表1所示。
表1铺层材料参数
Figure BDA0001597333030000051
根据上述计算结果得到：当碳纤维树脂层与芳纶层的厚度比为1:0.358时，复合材料层压板的准各向同性热膨胀系数为0。
M40J碳纤维/树脂预浸料单层厚度0.085mm，国产芳纶纤维正交织布厚度为0.065mm，平面内全方位零膨胀碳纤维芳纶复合材料层压板共25层，其中碳纤维树脂层共16层，芳纶织物层共9层，按照表2所示铺层。各层材料种类和铺层方向沿厚度方向对称，即关于第13层对称，具体如下：
第1/12/14/25层(共四层)为0°方向碳纤维/树脂层，如图2；
第3/11/15/23层(共四层)为90°方向碳纤维/树脂层，如图3；
第5/9/17/21层(共四层)为45°方向碳纤维/树脂层，如图4；
第6/8/18/20层(共四层)为135°方向碳纤维/树脂层，如图5；
第2/7/13/19/24层(共五层)为0°方向芳纶织物层，如图6；
第4/10/16/22层(共四层)为45°方向芳纶织物层，如图7。
表2 M40J碳纤维复合材料层压板零膨胀设计铺层说明
Figure BDA0001597333030000061
Figure BDA0001597333030000071
本实施例中碳纤维树脂层和芳纶层采用机械剪裁或者手工剪裁，手工铺层，每4～5层抽真空一次，铺层完毕后用真空袋密封，通过热压真空固化成型。
本实施例中平面内全方位零膨胀复合材料层压板使用热压罐热压固化成型，真空度为6bar，先以2.5℃/min均匀升温至80℃，恒温恒压30min，再以2.5℃/min均匀升温至125℃，恒温恒压60min，最后2.0℃/min、0.1bar/5min的速度降温减压，压力将至5.5bar以下后自由降温减压。
本发明的原理为：碳纤维和芳纶纤维的热膨胀系数符号相反，通过调整两者的铺层厚度比例，使两种材料形成的层压板达到沿平板面内各方向热膨胀系数均为零的要求。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种平面内全方位零膨胀复合材料层压板，由碳纤维树脂层和芳纶层经过固化成型制成；其特征在于：所述的碳纤维树脂层和芳纶层间隔铺层，每隔n层，n≥1碳纤维树脂层，铺设一层芳纶层；碳纤维树脂层纤维方向沿0°/90°/45°/135°循环铺层；芳纶层的经线方向沿0°/45°循环铺层；碳纤维树脂层和芳纶层的铺层厚度和纤维方向关于中性面对称；碳纤维树脂层和芳纶层的厚度比为：
Figure FDA0001597333020000011
hC为碳纤维树脂层的总厚度，hK为芳纶层的总厚度；αC、αK分别为碳纤维树脂层和芳纶层的热膨胀系数，EC、EK分别为碳纤维树脂层和芳纶层弹性模量。
2.如权利要求1所述的一种平面内全方位零膨胀复合材料层压板，其特征在于：所述的碳纤维树脂层是由碳纤维浸润在树脂基体中形成的成品预浸料。
3.如权利要求2所述的一种平面内全方位零膨胀复合材料层压板，其特征在于：所述的碳纤维采用存在单方向热膨胀系数小于0的碳纤维。
4.如权利要求2所述的一种平面内全方位零膨胀复合材料层压板，其特征在于：所述的树脂选用环氧树脂、醋酸乙烯树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂或氰酸酯树脂。
5.如权利要求1所述的一种平面内全方位零膨胀复合材料层压板，其特征在于：所述的芳纶层采用芳纶纤维。
6.如权利要求1或5所述的一种平面内全方位零膨胀复合材料层压板，其特征在于：所述的芳纶层形态包括芳纶纤维平纹织物、其他编织形式的织物、以及单向纤维正交铺层。
7.如权利要求1所述的一种平面内全方位零膨胀复合材料层压板，其特征在于：所述的碳纤维树脂层和芳纶层采用机械剪裁或者手工剪裁，手工铺层，每4～5层抽真空一次，铺层完毕后用真空袋密封，通过热压真空固化成型。
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