CN109760341A - 双程弯曲的形状记忆合金复合材料、制作方法及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双程弯曲的形状记忆合金复合材料，包括树脂基复合材料基体和两组形状记忆合金；其中树脂基复合材料基体包括20层含胶量为40％‑50％的6511/平纹高强布预浸料；两组形状记忆合金分别设置于树脂基复合材料基体内。

Description

双程弯曲的形状记忆合金复合材料、制作方法及驱动方法

技术领域

本发明涉及一种变体机翼的蒙皮技术，特别是一种双程弯曲的形状记忆合金复合材料、制作方法及驱动方法。

背景技术

变体机翼作为单一的完整几何体，可以根据飞行任务及外界条件变化自动调整机翼形状，且这种外形的变化是光滑连续地，进而实现机翼面积、后掠角、展弦比等大尺寸范围变化，从而大大提高了机翼任务执行效率。作为变体机翼的重要组成部分，要求蒙皮不仅能够获得大的变形，同时具有一定的刚度以承受气动载荷，这种蒙皮称为柔性蒙皮。目前柔性蒙皮的研究主要集中在柔性胞状结构形式的蒙皮，通过对胞状结构的拓扑优化实现面内大变形、面外高刚度的目标。该类蒙皮仍处于理论研究中，且在关键技术及难点包括：面内大变形与面外高刚度之间的矛盾、蒙皮变形表层皱褶的解决、制备技术等方面未获得大的突破，成为制约了变体机翼发展的瓶颈。

随着复合材料在航空领域的应用越来越广及形状记忆合金加工技术的发展，科研人员提出了将形状记忆合金与复合材料集成制备出具有形状记忆效应的复合材料，将其用于变体机翼以解决变体机翼蒙皮研究中面临的问题。嵌入复合材料中的形状记忆合金丝的直径越细对复合材料结构的整体性能影响越小。目前加工直径0.2mm的形状记记忆合金丝的工艺已十分成熟，使得制备形状记忆合金复合材料成为现实。将经过预应变的形状记忆合金丝作为驱动元件，以偏离中性面的方式嵌入复合材料中制成形状记忆合金复合材料。对形状记忆合金丝加热激励，当温度超过奥氏体相变点，产生形状记忆效应伴随有收缩变形及回复力。在回复应力作用下，材料基体沿中性面产生弯矩驱动整体结构弯曲变形。利用该材料制作机翼的蒙皮，可获得沿弦线的弯曲变形，且解决了蒙皮大变形与承载能力之间的矛盾。其应用方向包括：机翼后缘、襟翼、副翼、翼尖小翼的弯曲等。

现有文献中，虽然关于形状记忆合金复合材料的研究较多，但将其用于变体机翼的文献较少。李杰锋等人在文献:一种新型形状记忆合金复合材料的制备及性能测试(兵器材料科学与工程，2014，37(1):57-60)中公开了一种以形状记忆合金丝为驱动元件的可弯曲变形复合材料的制备方法，验证了该类材料弯曲变形的可行性，为形状记忆合金复合材料在变体机翼的应用提供了试验基础；但文献中所制备的形状记忆合金复合材料存在以下几方面的不足：由于形状记忆合金丝仅布置在中性面一侧，该类复合材料只能实现单程弯曲变形，如要回复至初始形状需要辅助其他结构；采用先铺贴玻璃纤维布在涂胶制备工艺，涂胶量不容易控制，导致涂胶不均匀或者在边界溢出，影响材料的性能；所用的形状记忆合金丝直径为0.5mm，在与基体材料结合时易产生气泡等缺陷；另外0.5mm直径的丝弹性相对较大，在制备时需要借助外力使其处于直线状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双程弯曲的形状记忆合金复合材料、制作方法及驱动方法，利用该形状记忆合金复合材料结构制作机翼蒙皮可实现蒙皮的双程弯曲变形。

实现本发明目的的技术方案为：一种双程弯曲的形状记忆合金复合材料，其特征在于，包括树脂基复合材料基体和两组形状记忆合金；其中树脂基复合材料基体包括20层含胶量为40％-50％的6511/平纹高强布预浸料；两组形状记忆合金分别设置于树脂基复合材料基体内。

采用上述材料，树脂基复合材料基体包括20层含胶量为40％-50％的6511/平纹高强布预浸料：其中上方3层为完整的6511/平纹高强布预浸料，中间14层为条状6511/平纹高强布预浸料，下方3层为完整的6511/平纹高强布预浸料。

采用上述材料，形状记忆合金丝为直径为0.2mm的Ni-Ti合金，两组形状记忆合金丝的布置位置分布为：在上方3层完整的6511/平纹高强布预浸料的下方布置第一组形状记忆合金丝；在下方3层完整的6511/平纹高强布预浸料的上方布置第二组形状记忆合金丝(5)。

驱动上述材料的方法，记忆合金初始状态为平直状态；用直流稳压电源对一组形状记忆合金丝加热至温度超过奥氏体相变温度，该组形状记忆合金丝产生记忆效应伴随收缩变形，进而带动复合材料整体弯曲，同时另一组形状记忆合金丝被拉伸直至达到最大变形量；停止对该组形状记忆合金丝加热，对另一组形状记忆合金丝加热，当温度超过奥氏体相变温度，另一组形状记忆合金丝产生收缩，带动材料整体回复到初始平直状态，同时该组形状记忆合金丝被拉伸。

一种制作上述材料的方法，包括：

步骤1，将所用的形状记忆合金丝退火及预拉伸处理，并根据需要截取长度；准备所需的6511/平纹高强布预浸料；准备所需的辅助工装包括金属平板、定位圆柱销、等距隔离块，定位圆柱销安装在平板两端用于定位并缠绕形状记忆合金丝；

步骤2，利用激光切割机将6511/平纹高强布预浸料分为上、下各3层完整尺寸的平纹高强布预浸料、中间14层条状平纹高强布预浸料若干；

步骤3，清洁金属平板、等距隔离块，并涂刷脱模剂；在上铺贴下方3层完整的平纹高强布预浸料；

步骤4，将第二组形状记忆合金丝紧贴下方3层完整的平纹高强布预浸料并依次缠绕过定位圆柱销后拉紧固定；

步骤5，在第二组形状记忆合金丝上方放置等距隔离块，并在隔离块之间铺贴14层中间条状平纹高强布预浸料；

步骤6，在14层中间条状平纹高强布预浸料上方将第一组形状记忆合金丝紧贴中间条状平纹高强布预浸料后依次缠绕过定位圆柱销并拉紧固定；

步骤7，在第一组形状记忆合金丝上铺贴最后三层完整的平纹高强布预浸料；

步骤8，铺贴完成后固化并脱膜。

本发明与现有技术相比，具有以下优点:与现有的仅可实现单程弯曲变形不同，本发明在上下方各布置一组形状记忆合金丝，分别对其加热可实现双程弯曲变形；采用平纹高强布预浸料作为复合材料基体，提高了制备效率及材料均匀性且质量更高；采用更细的形状记忆合金丝(直径为0.2mm)，因而柔性更好便于制备过程中对丝铺设，简化了制备过程中对辅助工装的要求，且操作简便，提高了制备效率；制备出的形状记忆合金复合材料质量轻、面外刚度高，满足变体机翼对蒙皮的要求。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明双程弯曲的形状记忆合金复合材料初始状态的主视图。

图2为本发明双程弯曲的形状记忆合金复合材料初始状态的A-A剖视图。

图3为本发明双程弯曲的形状记忆合金复合材料驱动后的弯曲状态图。

图4为本发明形状记忆合金复合材料(上方三层平纹高强布预浸料未示出)在模具中成型的主视图。

图5为本发明形状记忆合金复合材料(上方三层平纹高强布预浸料未示出)在模具中成型的俯视图。

图中，1为上方形状记忆合金丝，2为上方三层平纹高强布预浸料，3为中间14层条状平纹高强布预浸料，4为下方三层平纹高强布预浸料，5为下方形状记忆合金丝，6为金属平板，7为等距隔离块，8为定位圆柱销。

具体实施方式

结合图1、图2，一种双程弯曲变形的形状记忆合金复合材料由树脂基复合材料基体与两组形状记忆合金丝组成。所用基体复合材料为含胶量40％-50％的6511/平纹高强布预浸料，共20层：其中上方三层为完整的6511/平纹高强布预浸料2，中间为14层条状6511/平纹高强布预浸料3，下方三层为完整的6511/平纹高强布预浸料4。所用形状记忆合金丝为直径为0.2mm的Ni-Ti合金，需经退火和预拉伸处理，预拉伸应变为4％。两组形状记忆合金丝的布置位置分布为：在上方三层完整的6511/平纹高强布预浸料的下方布置一组形状记忆合金丝1，在下方三层完整的6511/平纹高强布预浸料的上方布置一组形状记忆合金丝5。

结合图3，本发明的双程弯曲的形状记忆合金复合材料的驱动方法为：该形状记忆合金复合材料的初始状态为平直状态；用直流稳压电源对下方一组形状记忆合金丝5加热，当温度超过奥氏体相变温度，形状记忆合金丝产生记忆效应伴随收缩变形，进而带动材料整体向下弯曲，同时上方一组形状记忆合金丝1被拉伸，表现为应变增大，直至达到最大变形量；停止对下方形状记忆合金丝加热，对上方形状记忆合金丝加热，当温度超过奥氏体相变温度，上方形状记忆合金丝产生收缩，带动材料整体回复到初始平直状态，同时下方形状记忆合金丝被拉伸。重复以上过程，则该材料可在弯曲与平直两种状态下变化。

结合图4、图5，一种双程弯曲的形状记忆合金复合材料的制作方法，包括步骤如下：

步骤1，制备前准备：将所用直径0.2mm的形状记忆合金丝退火及预拉伸处理，预拉伸应变量为4％，并根据需要截取长度。准备所需的6511/平纹高强布预浸料。所需的辅助工装包括：①平整光洁的金属平板6，②定位圆柱销8，安装在平板两端用于定位并缠绕形状记忆合金丝，定位圆柱销的间距与形状记忆合金丝的间距对应相等，③等距隔离块7。

步骤2，根据需要利用激光切割机下料：上、下各3层完整尺寸的平纹高强布预浸料、中间14层条状平纹高强布预浸料若干；

步骤3，清洁金属平板、等距隔离块，并涂刷脱模剂；在平板上铺贴下方三层完整的平纹高强布预浸料4；

步骤4，布置下方一组形状记忆合金丝5：将处理好的形状记忆合金丝紧贴平纹高强布预浸料布置并依次缠绕过定位圆柱销后拉紧固定；

步骤5，铺贴中间条状平纹高强布预浸料3：在形状记忆合金丝上方放置处理好的等距隔离块7，并在隔离块之间铺贴14层条状平纹高强布预浸料3；

步骤6，布置上方一组形状记忆合金丝1：在14层平纹高强布预浸料上方将形状记忆合金丝紧贴平纹高强布预浸料后依次缠绕过定位圆柱销并拉紧固定；

步骤7，最后在形状记忆合金丝1上铺贴最后三层完整的平纹高强布预浸料2；

步骤8，铺贴完成后，按常规复合材料工艺固化：在制品上方铺覆隔离膜、无碱玻璃布、透气毡后用真空袋密封好，在20℃-25℃固化24小时即完成材料的制备；

步骤9，脱模清理后得到所需的形状记忆合金复合材料。

Claims (9)

1.一种双程弯曲的形状记忆合金复合材料，其特征在于，包括树脂基复合材料基体和两组形状记忆合金；其中

树脂基复合材料基体包括20层含胶量为40％-50％的6511/平纹高强布预浸料；

两组形状记忆合金分别设置于树脂基复合材料基体内。

2.根据权利要求1所述的形状记忆合金复合材料，其特征在于，每一组形状记忆合金包括平行的弯折端和连接弯折段的过渡段。

3.根据权利要求1所述的形状记忆合金复合材料，其特征在于，树脂基复合材料基体包括20层含胶量为40％-50％的6511/平纹高强布预浸料：其中

上方3层为完整的6511/平纹高强布预浸料(2)，

中间14层为条状6511/平纹高强布预浸料(3)，

下方3层为完整的6511/平纹高强布预浸料(4)。

4.根据权利要求3所述的形状记忆合金复合材料，其特征在于，形状记忆合金丝为直径为0.2mm的Ni-Ti合金，两组形状记忆合金丝的布置位置分布为：

在上方3层完整的6511/平纹高强布预浸料的下方布置第一组形状记忆合金丝(1)；

在下方3层完整的6511/平纹高强布预浸料的上方布置第二组形状记忆合金丝(5)。

5.根据权利要求1或2所述的形状记忆合金复合材料，其特征在于，形状记忆合金的预拉伸应变为4％。

6.一种驱动权利要求1所述形状记忆合金复合材料的方法，其特征在于，包括：

记忆合金初始状态为平直状态；

有次序的用直流稳压电源对两组形状记忆合金分别进行加热直至温度超过奥氏体相变温度，被加热的形状记忆合金产生记忆效应伴随收缩变形带动未被加热的形状记忆合金产生变形。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，用直流稳压电源对一组形状记忆合金丝加热至温度超过奥氏体相变温度，该组形状记忆合金丝产生记忆效应伴随收缩变形，进而带动复合材料整体弯曲，同时另一组形状记忆合金丝被拉伸直至达到最大变形量；

停止对该组形状记忆合金丝加热，对另一组形状记忆合金丝加热，当温度超过奥氏体相变温度，另一组形状记忆合金丝产生收缩，带动材料整体回复到初始平直状态，同时该组形状记忆合金丝被拉伸。

8.一种双程弯曲的形状记忆合金复合材料的制作方法，其特征在于，包括：

步骤1，将所用的形状记忆合金丝退火及预拉伸处理，并根据需要截取长度；准备所需的6511/平纹高强布预浸料；准备所需的辅助工装包括金属平板(6)、定位圆柱销(8)、等距隔离块(7)，定位圆柱销(8)安装在平板两端用于定位并缠绕形状记忆合金丝；

步骤2，利用激光切割机将6511/平纹高强布预浸料分为上、下各3层完整尺寸的平纹高强布预浸料、中间14层条状平纹高强布预浸料若干；

步骤3，清洁金属平板(6)、等距隔离块(7)，并涂刷脱模剂；在(7)上铺贴下方3层完整的平纹高强布预浸料(4)；

步骤4，将第二组形状记忆合金丝(5)紧贴下方3层完整的平纹高强布预浸料(4)并依次缠绕过定位圆柱销(8)后拉紧固定；

步骤5，在第二组形状记忆合金丝(5)上方放置等距隔离块(7)，并在隔离块之间铺贴14层中间条状平纹高强布预浸料(3)；

步骤6，在14层中间条状平纹高强布预浸料(3)上方将第一组形状记忆合金丝(1)紧贴中间条状平纹高强布预浸料(3)后依次缠绕过定位圆柱销(8)并拉紧固定；

步骤7，在第一组形状记忆合金丝(1)上铺贴最后三层完整的平纹高强布预浸料(2)；

步骤8，铺贴完成后固化并脱膜。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，形状记忆合金丝的直径为0.2mm，预拉伸应变量为4％。