CN109356912A - 一种复合材料撑杆接头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料接头及其制备方法，属于复合材料设计与制造领域。一种复合材料撑杆接头，包括耳片、腹板，耳片设置于腹板的一端，并沿腹板的长度方向延伸，耳片为两个且同向设置；腹板为两个且相对设置，其四周环绕有缘条，腹板与缘条形成封闭的盒型结构，其截面为“井”字型中空型腔，型腔中间填充泡沫夹芯。本发明具有如下优点：可以得到连续碳纤维增强的热塑性复合材料撑杆接头，该方法不仅制作工艺简单，而且与环氧树脂基体的同类制件相比，其缺口冲击强度可以提高30%以上。

Description

一种复合材料撑杆接头及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料接头及其制备方法，属于复合材料设计与制造领域。

背景技术

为了满足日益增强的飞机结构减重需求，碳纤维复合材料制件在飞机上的使用越来越普遍。但是，目前连续碳纤维增强的复合材料制件多采用环氧树脂作为基体，由于环氧树脂的耐冲击性差，使得制件的应用受到限制。而采用热塑性树脂制备的碳纤维增强复合材料制品其纤维往往不连续，制品强度差，也不能满足使用要求。

专利CN201310113973.1，提供了一种增韧环氧树脂基复合材料的方法，该方法明显地降低了制件中碳纤维含量，不利于获得高强度制件。专利CN201280007773.1，提供了一种利用热塑性树脂基碳纤维复合材料车辆骨架的制作方法。该方法中采用的树脂在专利所述的加工状态下粘度大，生产制作困难。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种连续碳纤维增强的具有高强度高抗冲击性能的热塑性复合材料撑杆接头。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种复合材料撑杆接头，包括耳片、腹板，耳片设置于腹板的一端，并沿腹板的长度方向延伸，耳片为两个且同向设置；腹板为两个且相对设置，其四周环绕有缘条，腹板与缘条形成封闭的盒型结构，其截面为“井”字型中空型腔，型腔中间填充泡沫夹芯。

优选的，所述复合材料撑杆接头的材料是由单向碳纤维布、碳纤维织物、PMI泡沫夹芯和由环状低聚酯开环聚合反应而成的热塑性树脂基体组成。

优选的，所述环状低聚酯为聚合度在2到20之间的环状低聚碳酸酯或者环状低聚对苯二甲酸丁二醇酯或者二者的混合物。

优选的，所述环状低聚碳酸酯的分子式结构为：，其中R可以是基团，也可以是具有其他结构的基团。

优选的，所述环状低聚对苯二甲酸丁二醇酯的分子式结构为：。

优选的，所述开环聚合反应是在催化剂存在下，发生的开环聚合反应，其中催化剂主要包括：碱金属酚盐，碱金属醇盐，碱金属氢氧化物，四芳基硼盐，锡环烷，二羟基氯丁基锡，以及钛类催化剂中的一种或多种混合物。

优选的，所述催化剂包覆于微胶囊之中，所述微胶囊的胶囊壁材料是由单体为苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲醛、尿素、丙烯腈中的一种或多种聚合而成的聚合物。

优选的，所述泡沫夹芯为PMI泡沫。

本发明的另一个目的是提供一种制备如上所述复合材料撑杆接头的方法，包括以下步骤：

1)将接头分解为四个区域，并按分解区域铺覆碳纤维：U型铺层区Ⅰ、U型铺层区Ⅱ、口字型铺层区、最外层铺层区；U型铺层区Ⅰ、U型铺层区Ⅱ的碳纤维铺层为完整连续的碳纤维单向带，其范围覆盖耳片、腹板、上缘条和下缘条，且0°方向的铺层比例含量不少于40%，90°方向的铺层比例含量不大于15%,剩余为﹢45°和-45°方向铺层；口字型铺层区的碳纤维铺层为完整连续的碳纤维单向带，其范围覆盖耳片，腹板，两腹板之间的上缘条和下缘条，且0°方向的铺层比例含量不少于40%，90°方向的铺层比例含量不大于15%，剩余为﹢45°和-45°方向铺层，在碳纤维铺层中间包裹泡沫夹芯层；最外层铺层区为整块连续的碳纤维单向带，其范围覆盖上、下、前、后缘条，﹢45°和-45°方向的铺层比例含量不少于30%，0°方向的铺层比例含量不少于40%，且表面包含两层以上的碳纤维织物；

2)将铺覆好的各部件组合安装好并置于封闭的模具内；

3)在环状低聚酯粉末中添加一定比例的开环聚合催化剂，将混合物加热到180-220℃之间，待其粘度下降到100mPa·S以下后注射入成型模具内；充模完成后,升温到220-300℃，保温保压0.5-2小时；

4）制件完成保温保压后降温至60℃以下，开模取出。

本发明具有如下优点：可以得到连续碳纤维增强的热塑性复合材料撑杆接头，该方法不仅制作工艺简单，而且与环氧树脂基体的同类制件相比，其缺口冲击强度可以提高30%以上。

附图说明

图1是本发明实施例结构示意图；

图2是图1的A-A视图；

图3是图1的铺层示意图；

图4是图1的铺层方向示意图；

图5是图1的俯视图；

图中，1、耳片；2、腹板；30、上缘条；31、后缘条；32、前缘条；33、下缘条；40、中空型腔；100、U型铺层区Ⅰ；200、U型铺层区Ⅱ；300、口字型铺层区；400、最外层铺层区。

具体实施方式

下面结合附图1-5对本发明做进一步详述：如图1-5所示，一种复合材料撑杆接头，为双耳片、双腹板结构，耳片1为两个且同向设置；腹板2为两个且相对设置，其四周环绕有缘条，腹板2与上缘条30、后缘条31、前缘条32、下缘条33形成封闭的盒型结构，盒型结构的截面为“井”字型，双腹板中间为中空型腔40（如图2所示），型腔中间填充PMI泡沫。

本发明所述的复合材料撑杆接头具有如下特征：

① 本发明所述的复合材料撑杆接头由单向碳纤维布，碳纤维织物、PMI泡沫夹芯和由环状低聚酯开环聚合和而成的热塑性树脂基体组成。

② 本发明所述的复合材料撑杆接头采用RTM工艺制造。

③ 本发明所述的环状低聚酯指的是：

聚合度在2到20之间的环状低聚碳酸酯或者环状低聚对苯二甲酸丁二醇酯或者二者的混合物。

其中环状低聚碳酸酯具有如下的分子式结构：

，其中R可以是基团，也可以是具有其他结构的基团。

其中环状低聚对苯二甲酸丁二醇酯具有如下的分子式结构：

④ 本发明所述的开环聚合反应指的是：

在催化剂存在下，发生的开环聚合反应，本发明所述的催化剂主要包括：

碱金属酚盐，碱金属醇盐，碱金属氢氧化物，四芳基硼盐，锡环烷，二羟基氯丁基锡，以及钛类催化剂中的一种或多种混合物。

本发明所述的催化剂包覆于微胶囊之中，所述微胶囊的胶囊壁材料是由单体为苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲醛、尿素、丙烯腈中的一种或多种聚合而成的聚合物。

一种复合材料撑杆接头的制备方法，包括以下步骤：

① 树脂准备

将环状低聚对苯二甲酸丁二醇酯粉末、环状低聚碳酸酯粉末和微胶囊催化剂按质量比90:5:5混合均匀，其中微胶囊催化剂的芯材为二羟基氯丁基锡，壁材为聚甲基丙烯酸甲酯。

② 零件铺覆

在模具上分别铺覆好U型铺层区Ⅰ100和U型铺层区Ⅱ200的碳纤维单向带，其中0°方向的铺层比例为50%，90°方向的铺层比例为10%，其余为±45°铺层。在PMI泡沫上铺覆好口字型铺层区300的碳纤维单向带，其中0°方向的铺层比例为50%，90°方向的铺层比例为10%，其余为±45°铺层。将三者组合后，在最外层铺层区400铺覆碳纤维单向带，其中±45°方向的铺层比例为30%，0°方向的铺层比例为40%，其余为90°方向铺层。最后在表面铺覆四层碳纤维织物。将以上各部件及模具组合好后置于封闭的模具内。

③ 注胶

将树脂和催化剂的混合物升温至（200±5）℃恒温注射，从常压逐渐加压至0.3MPa。注胶完毕，以3℃/min的速率开始升温至（250±5）℃，保温保压2h。然后以2 ℃/min的速率降温，随炉冷却到60℃以下开模取出。

上述实施例仅仅是对本发明的进一步说明，不构成对本发明的限制。本领域普通技术人员在本发明的基础上所做的引申、变形、修改均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种复合材料撑杆接头，其特征在于：包括耳片、腹板，耳片设置于腹板的一端，并沿腹板的长度方向延伸，耳片为两个且同向设置；腹板为两个且相对设置，其四周环绕有缘条，腹板与缘条形成封闭的盒型结构，其截面为“井”字型中空型腔，型腔中间填充泡沫夹芯。

2.根据权利要求1所述的复合材料撑杆接头，其特征在于：所述复合材料撑杆接头的材料是由单向碳纤维布、碳纤维织物、PMI泡沫夹芯和由环状低聚酯开环聚合反应而成的热塑性树脂基体组成。

3.根据权利要求2所述的复合材料撑杆接头，其特征在于：所述环状低聚酯为聚合度在2到20之间的环状低聚碳酸酯或者环状低聚对苯二甲酸丁二醇酯或者二者的混合物。

4.根据权利要求3所述的复合材料撑杆接头，其特征在于：所述环状低聚碳酸酯的分子 式结构为：，其中R可以是基团，也可以是具有其他结构的基 团。

5.根据权利要求3所述的复合材料撑杆接头，其特征在于：所述环状低聚对苯二甲酸丁 二醇酯的分子式结构为：。

6.根据权利要求3所述的复合材料撑杆接头，其特征在于：所述开环聚合反应是在催化剂存在下，发生的开环聚合反应，其中催化剂主要包括：碱金属酚盐，碱金属醇盐，碱金属氢氧化物，四芳基硼盐，锡环烷，二羟基氯丁基锡，以及钛类催化剂中的一种或多种混合物。

7.根据权利要求6所述的复合材料撑杆接头，其特征在于：所述催化剂包覆于微胶囊之中，所述微胶囊的胶囊壁材料是由单体为苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲醛、尿素、丙烯腈中的一种或多种聚合而成的聚合物。

8.根据权利要求1所述的复合材料撑杆接头，其特征在于：所述泡沫夹芯为PMI泡沫。

9.制备如权利要求1-8中任一权利要求所述的复合材料撑杆接头的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将接头分解为四个区域，并按分解区域铺覆碳纤维：U型铺层区Ⅰ、U型铺层区Ⅱ、口字型铺层区、最外层铺层区；U型铺层区Ⅰ、U型铺层区Ⅱ的碳纤维铺层为完整连续的碳纤维单向带，其范围覆盖耳片、腹板、上缘条和下缘条，且0°方向的铺层比例含量不少于40%，90°方向的铺层比例含量不大于15%,剩余为﹢45°和-45°方向铺层；口字型铺层区的碳纤维铺层为完整连续的碳纤维单向带，其范围覆盖耳片，腹板，两腹板之间的上缘条和下缘条，且0°方向的铺层比例含量不少于40%，90°方向的铺层比例含量不大于15%，剩余为﹢45°和-45°方向铺层，在碳纤维铺层中间包裹泡沫夹芯层；最外层铺层区为整块连续的碳纤维单向带，其范围覆盖上、下、前、后缘条，﹢45°和-45°方向的铺层比例含量不少于30%，0°方向的铺层比例含量不少于40%，且表面包含两层以上的碳纤维织物；

2)将铺覆好的各部件组合安装好并置于封闭的模具内；

3)在环状低聚酯粉末中添加一定比例的开环聚合催化剂，将混合物加热到180-220℃之间，待其粘度下降到100mPa·S以下后注射入成型模具内；充模完成后,升温到220-300℃，保温保压0.5-2小时；

4）制件完成保温保压后降温至60℃以下，开模取出。