CN109849372B - 一种复合材料多稳态组合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料多稳态组合材料及其制备方法。该方法将复合材料进行对称铺层，得到复合基板；再对复合基板的若干个区域进行非对称铺层，然后采用热压罐成型工艺使非对称铺层区域的热残余应力在复合基板上形成两个正交的弯矩；以进行非对称铺层的复合基板区域作为变形区域，未进行非对称铺层的复合基板区域作为过渡区域，保证任意两个变形区域之间均由过渡区域进行分隔。本发明中通过分段铺层的方法，将整个结构划分为变形区域与过渡区域。变形区域是双稳态结构，具备两个变形状态的同时，具备稳定性；过渡区域则解决分段铺层造成的几何兼容性问题，且可变形数量较多(能够大于10)的复合材料多稳态试样的制备方法。

Description

一种复合材料多稳态组合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及新材料领域，具体涉及一种复合材料多稳态组合材料及其制备方法。

背景技术

复合材料双稳态是指具有两种变形能力，且变形后无需持续的能量输入即可保持稳定状态的结构。与一般的可变形结构相比，其在自由状态下，无需持续的能量输入即可保持稳定状态的特征，使其在可变形机翼、展开机构、可展开太阳能板等领域具有较大的应用潜力。但是随着航空、航天工业的发展，对可变形结构的变形能力提出了更高的要求，具有多个变形状态的多稳态的概念被提出。

目前实现多稳态试样的方法主要有两种：一种是通过多个双稳态试样拼接而成；另一种则是通过分段铺层的方法实现。对于第一种方法，本质上就是双稳态；对于第二种多稳态试样，由于不同区域之间存在结合兼容性的问题，其变形数量有限。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中多稳态试样存在结合兼容性、变形数量有限的问题，并提供一种能够实现多种变形，变形后能保持稳定状态，具备承载能力，且可变形数量较多的复合材料多稳态试样的制备方法。本发明涉及的复合材料多稳态试样，通过分段铺层的方法，将整个结构划分为变形区域与过渡区域。使得结构在具备多个变形状态的，具备稳定性和承载能力的同时，其可变形数量可以达到甚至超过10个。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种复合材料多稳态组合材料的制备方法，具体做法为：将复合材料进行对称铺层，得到复合基板；再对复合基板的若干个区域进行非对称铺层，然后采用热压罐成型工艺使非对称铺层区域的热残余应力在复合基板上形成两个正交的弯矩；以进行非对称铺层的复合基板区域作为变形区域，未进行非对称铺层的复合基板区域作为过渡区域，保证任意两个变形区域之间均由过渡区域进行分隔。

需要指出的是，本发明中任意两个变形区域之间均由过渡区域进行分隔是指，任意两个变形区域之间没有边与边相重合或部分重合连接的情况，相邻两个变形区域之间相对的边之间必须有一个过渡区域；但两个变形区域之间可以有角点相接。相邻两个过渡区域之间则可以连接，也可以不连接。

下面详述本发明的工作原理如下：

本发明的基本原理是通过多个双稳态组合材料的拼接实现复合材料结构具备多个变形的能力。但是多个双稳态组合材料的拼接会带来结构的几何兼容性问题。如图1所示，B与A有兼容性的问题；B与C不存在兼容性的问题。对于过渡区域D而言，A要求D绕X方向发生弯曲；B要求D绕Y方向发生弯曲。显然在边缘受到限制的条件下，区域D不可能在X，Y两个方向同时发生弯曲变形。本发明在两个变形区域之间加入了过渡区域进行分隔，对于过渡区域E而言，B要求E绕Y方向发生弯曲；C也要求E绕Y方向发生弯曲，显然E会在Y方向发生弯曲变形。

过渡区域的刚度越小越有利于几何兼容性的缓解。然而过于柔软则会影响结构的承载能力。因此过渡区域应有足够的刚度，保证多稳态组合材料承载能力的同时，也要有足够的柔度，缓解几何兼容性带来的问题。除此以外，过渡区域应尽可能小，尽量保证多稳态组合材料的紧凑性，美观。

本发明的制备过程中，另一个考虑的问题是双稳态组合材料与过渡区域之间的连接问题。考虑到多稳态组合材料厚度以及连接应足够牢固，因此本发明采用复合基板贯通整个多稳态组合材料，然后在复合基板上加铺层形成变形区域，由此得到多稳态组合材料。这种制备方法既满足了厚度的要求，又保证了连接部位的强度。

基于上述方案，本发明还可以进一步提供如下优选实现方式。需要说明的是，各种优选实现方式的技术特征如果没有冲突，均可相互组合，不构成限制。

作为优选，所述的变形区域至少有2个，最多可以达到甚至超过10个。变形区域的具体数量可以根据需要进行调整。

作为优选，所述的对称铺层形式为[0/90/90/0]。

作为优选，所述的非对称铺层形式为[0/0/0/0+过渡区域+90/90/90/90]。

作为优选，所述的复合基板中铺层数为4的倍数。基板起到连接和过渡区的作用，因此应满足过渡区既不能太硬也不能太软的制备要求。除此以外还有尽量保证基板在正交方向上的性能一致(正交铺层)，以及基板在固化完成后不出现翘曲(对称铺层)，因此复合基板中铺层数应尽量采用4的倍数。

作为优选，所述的组合材料中，变形区域和过渡区域呈条带状直线分布或呈矩形阵列分布。条带状直线分布是指变形区域和过渡区域沿着直线形式线性排列，而矩形阵列分布实质变形区域和过渡区域以M×N的形式矩阵排列。

作为优选，所述的复合材料为正交各项异性材料。

作为优选，铺层材料选用T300/AG80.

作为优选，铺层材料的单层厚度为0.03mm。

本发明的另一目的在于提供一种由上述任一方法制备的复合材料多稳态组合材料。

本发明通过分段铺层的方法，将整个组合材料区域划分为变形区域与过渡区域。变形区域是双稳态试样，具备两个变形状态的同时，具备稳定性；过渡区域则通过调控自身的刚度在解决分段铺层造成的复合材料多稳态试样的几何兼容性问题的同时，保持承载能力。

附图说明

图1为双稳态组合材料0/90铺层示意图；

图2为一维、二维多稳态组合材料制备方案示意图；

图3为三维多稳态组合材料制备方案示意图(0/90铺层)；

图4为三维多稳态组合材料制备方案示意图(+45/-45铺层)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。

本发明的复合材料多稳态组合材料的制备方法为：将复合材料进行对称铺层，得到复合基板；再对复合基板的若干个区域进行非对称铺层，然后采用热压罐成型工艺使非对称铺层区域的热残余应力在复合基板上形成两个正交的弯矩；以进行非对称铺层的复合基板区域作为变形区域，未进行非对称铺层的复合基板区域作为过渡区域，保证任意两个变形区域之间均由过渡区域进行分隔。

本发明涉及的复合材料多稳态组合材料制备在变形数量上具有较高的灵活性，可以在一个维度上实现，呈条带状分布(如图2(a)是一维结构)，也可以在多个维度上实现，呈矩形阵列分布(如图2(b)是二维结构)；在某个维度上的变形区域和过渡区域也可以不同(如图2(b)与图2(c))。

本发明涉及的复合材料多稳态组合材料制备的过渡区域和变形区域形状一般采用矩形，可以是正方形也可以是长方形(如图2(b)与图2(d))。在尺寸制备上有较高的灵活度，不同变形区域或者过渡区域的尺寸可以相同，也可以不同(如图2(e))。

本发明涉及的复合材料多稳态组合材料制备过渡区域与变形区域铺层虽然有诸多限制，但也有一定的灵活度，例如可以0/90铺层(如图3(b))，也可以+45/-45铺层(如图4)，只要能够使非对称铺层区域的热残余应力在复合基板上形成两个正交的弯矩。

下面通过具体实施例展示本发明不同的实现方式。

实施例1：

本实施例将变形区域和过渡区域制备成边长为100mm的正方形。复合材料选用T300/AG80，单层厚度为0.03mm。制备过程如下：

首先，将复合材料T300/AG80按照[0/90/90/0]的形式进行对称铺层，得到边长100mm的正方形复合基板。然后将复合基板划分为3×3的九宫格区域，选择其中若干个区域作为变形区域，对变形区域进行非对称铺层。过渡区域与变形区域的位置布置具有较高的灵活性，本实施例中，变形区域设计了两种方案，分别如图3(a)所示的非相间布置和图3(b)所示的相间布置。两种方案中，任意两个变形区域之间均没有两条边重合连接。变形区域的非对称铺层是在复合基板的基础上进行的，其形式为[0/0/0/0+过渡区域+90/90/90/90]，最终铺层形式为[0/0/0/0/0/90/90/0/90/90/90/90])。然后采用热压罐成型工艺对复合板体进行处理，通过固化温度与室温形成的温差，使非对称铺层区域的热残余应力在复合基板上形成两个正交的弯矩。从图3中可见，进行非对称铺层的复合基板区域作为变形区域，未进行非对称铺层的复合基板区域作为过渡区域，任意两个变形区域之间均由过渡区域进行分隔。在该组合材料中，变形区域是双稳态，具备两个变形状态的同时还具备稳定性；过渡区域则解决了分段铺层造成的几何兼容性问题。

实施例2：

本实施例与实施例1不同的是，使用的复合材料不是T300/AG80，而是任意的正交各项异性材料，例如玻璃纤维复合材料。

实施例3：

本实施例与实施例1不同的是，可以变形区域与过渡区域的总数可以是大于1×1的任意排列方式。

实施例4：

本实施例与实施例1不同的是，变形区域与过渡区域的形状可以是长方形。

实施例5：

本实施例与实施例1不同的是，变形区域与过渡区域的尺寸可以是任意尺寸。

实施例6：

本实施例与实施例1不同的是，变形区域与过渡区域的尺寸可以不相同。

实施例7：

本实施例与实施例1不同的是，变形区域与过渡区域的铺层可以不相同。例如变形区域采用[45/45/45/45+过渡区域+-45/-45/-45/-45]的铺层制备，过渡区域采用[45/-45/-45/45]。

实施例8：

本实施例与实施例1不同的是，变形区域的铺层可以是其他4的倍数的铺层；变形区域可以是任意非对称铺层。

实施例9：

本实施例与实施例1不同的是，变形区域与过渡区域单层的厚度可以是任意厚度。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种复合材料多稳态组合材料的制备方法，其特征在于，将复合材料进行对称铺层，得到复合基板；再对复合基板的若干个区域进行非对称铺层，然后采用热压罐成型工艺使非对称铺层区域的热残余应力在复合基板上形成两个正交的弯矩；以进行非对称铺层的复合基板区域作为变形区域，未进行非对称铺层的复合基板区域作为过渡区域，保证任意两个变形区域之间均由过渡区域进行分隔；

所述的对称铺层形式为[0/90/90/0]；所述的非对称铺层形式为 [0/0/0/0+过渡区域+90/90/90/90]；所述的组合材料中，变形区域和过渡区域呈矩形阵列分布；铺层材料的单层厚度为0.03mm。

2.如权利要求1所述的复合材料多稳态组合材料的制备方法，其特征在于，所述的变形区域至少有2个。

3.如权利要求1所述的复合材料多稳态组合材料的制备方法，其特征在于，所述的复合基板中铺层数为4的倍数。

4.如权利要求1所述的复合材料多稳态组合材料的制备方法，其特征在于，所述的复合材料为正交各项异性材料。

5.如权利要求1所述的复合材料多稳态组合材料的制备方法，其特征在于，铺层材料选用T300/AG80。

6.一种如权利要求1~5任一所述方法制备的复合材料多稳态组合材料。

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