CN111070725A - 一种榫卯连接的碳纤维复合材料层合板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种榫卯连接的碳纤维复合材料层合板的制备方法,采用碳纤维铺层结构,按照a°,‑a°,90°,‑a°,a°的顺序进行碳纤维铺层,与树脂基体热压成型后制得层合板,并在其端部按照碳纤维的铺设角度a将端部加工为等腰梯形状的榫和卯,将榫和卯在同一平面进行连接,并在连接处以粘结剂粘结,形成榫卯连接的碳纤维复合材料层合板;本发明制得的层合板能大大提高整体连接的承载能力;且榫卯连接处的碳纤维铺层保存完好,能够保证碳纤维在完整连续的情况下承受较高的载荷力;还能够避免由偏心载荷引起的连接处撕裂的破坏形式,对于较厚的层合板也能提供较强的承载强度。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域,具体涉及一种榫卯连接的碳纤维复合材料层合板的制备方法。
背景技术
近年来,由于绿色制造和轻量化技术的快速发展,复合材料可设计性强,比强度、比模量高的特点,使复合材料获得广泛应用,作为结构整体化的重要途径,复合材料连接技术在复合材料应用领域占据重要地位。
目前的复合材料连接方法主要包括机械连接、胶接连接、混合连接。机械连接会造成钻孔周围的局部应力破坏,开孔时容易对复合材料层合板铺层纤维造成损坏,影响层合板的受力分布;胶接连接强度分散大,剥离强度较低,较难传递大的载荷,无法试用于较厚的板材连接;混合连接是机械连接和胶接连接的结合,继承了两者的优点,但是孔的应力问题还是存在的,混合连接工艺复杂,增加了重量和成本。
随着复合材料整体化发展,复合材料层合板的连接要求越来越高,以上三种复合材料板材的传统连接方式,大多是采用单搭接的形式,如图1所示,其中1、3为被粘物,2为胶层,F为载荷,这样的连接方式会使板材在受力时产生偏心载荷,对搭接区域造成严重损伤,胶接接头的两端会产生较大的剥夺载荷,这对胶层产生较大影响。虽然连接方式还有斜面搭接、阶梯搭接的形式,但是这些连接方式,都是由胶层承受载荷,在对较厚的复合材料板材进行连接时,会因此无法承受较大载荷。
因此针对传统复合材料层合板的连接方式进行结构创新技术优化就成为复合材料连接所必须面对的问题。
发明内容
为了解决现有复合材料连接时产生偏心载荷的技术问题,而提供一种榫卯连接的碳纤维复合材料层合板的制备方法。本发明能够有效避免偏心载荷和开孔对复合材料层合板纤维铺层结构的影响,具有较高的连接强度。
为了达到以上目的,本发明通过以下技术方案实现:
一种榫卯连接的碳纤维复合材料层合板的制备方法,包括如下步骤:
(1)铺层结构的碳纤维复合材料层合板的制备:以所述铺层结构的碳纤维复合材料层合板的宽度方向作为90°方向,将碳纤维从上到下依次按照a°,-a°,90°,-a°,a°的顺序进行铺层,共铺设5层,其中a为碳纤维层的铺设角度,顺时针方向为负角度,a的取值为0<a<90;将铺层的碳纤维真空封装,注入树脂基体,置于热压罐中进行热压成型,制得具有铺层结构的碳纤维复合材料层合板;
(2)榫和卯的加工:将步骤(1)中制得的所述铺层结构的碳纤维复合材料层合板的两个端部加工为具有多个凸出的榫和对应凹进的卯,得到所述端部具有所述榫和对应所述卯的碳纤维复合材料层合板;
(3)将一块步骤(2)所述层合板的榫和另一块所述层合板的卯进行榫卯连接,在连接的接缝处涂抹粘接剂,真空封装后进行固化,打磨后制得榫卯连接的碳纤维复合材料层合板。
进一步地,所述a的取值为40~75。铺设角度不能过小,若是过小在制作时会造成端部的凹陷处损坏。
进一步地,步骤(1)中所述碳纤维为TY碳纤维,所述树脂基体为HYG环氧类树脂。
进一步地,步骤(1)中每层所述碳纤维的厚度为1mm。
进一步地,步骤(1)中所述热压成型的过程是先升温至145℃~150℃,保温30min~50min后,再加1MPa的外压,然后保持压力继续升温至180℃,保温保压3h后,匀速降温至60℃以下,恢复正常压力移出热压罐。
进一步地,步骤(2)中所述榫和卯为等腰梯形状,其长边为9mm、短边为5mm,其中一个内角的度数为a°。
进一步地,步骤(3)中所述粘接剂为FM-73型环氧树脂。
进一步地,步骤(3)中所述固化的温度为100℃~120℃。
有益技术效果:
针对胶接连接中斜面搭接、阶梯搭接形式中仅仅是利用粘接剂来承受载荷的缺陷,针对机械连接开孔对复合材料层合板纤维铺层的完全贯穿破坏,针对单、双搭接形式的胶接连接存在由偏心载荷引起层合板端部产生较高剥离应力造成连接处的破坏这一系列问题,本发明方法采用碳纤维铺层结构,将碳纤维按照a°,-a°,90°,-a°,a°的顺序进行铺层,与树脂基体热压成型后制得层合板,并在其端部按照碳纤维的铺设角度a将端部加工为等腰梯形状的榫和卯,将榫和卯在同一平面进行连接,并在连接处以粘结剂粘结,形成本发明的榫卯连接的碳纤维复合材料层合板,当榫卯连接处受到拉伸压缩载荷时,不仅可由粘接剂提供强度,层合板本身也能够提供强度,大大提高整体连接的承载能力;且榫卯连接处的碳纤维铺层保存完好,能够保证碳纤维在完整连续的情况下承受较高的载荷力;由于两块层合板处于同一个水平面,采用榫卯连接能够避免由偏心载荷引起的连接处撕裂的破坏形式,对于较厚的层合板也能提供较强的承载强度;可应用于汽车车身顶盖的大面积连接、无人机机翼的连接,满足轻量化设计及强度的需求。本发明方法设计合理,简单易行,能够有效的提升层合板连接强度。
附图说明
图1为复合材料层合板以单搭接形式进行连接的示意图,其中1、3为被粘物,2为胶层,F为载荷。
图2为本发明实施例1中步骤(2)加工的榫的结构示意图。
图3为本发明实施例1中步骤(3)所述的榫和卯连接示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例进一步描述本发明,但不限制本发明范围。
实施例1
一种榫卯连接的碳纤维复合材料层合板的制备方法,包括如下步骤:
(1)铺层结构的碳纤维复合材料层合板的制备:以所述铺层结构的碳纤维复合材料层合板的宽度方向作为90°方向,将TY碳纤维从上到下依次按照70°,-70°,90°,-70°,70°的顺序进行铺层,共铺设5层,每层碳纤维厚度1mm;将铺层的TY碳纤维真空封装,在每层碳纤维间注入HYG环氧类树脂基体,置于热压罐中进行热压成型,所述热压成型的过程是升温至145℃,保温50min后,再加1MPa的外压,然后保持压力继续升温至180℃,保温保压3h后,匀速降温至60℃以下恢复正常压力移出热压罐,修整即制得具有铺层结构的碳纤维复合材料层合板,所得层合板的厚为5mm,宽为63mm,长为200mm;
(2)榫和卯的加工:将步骤(1)制得的所述铺层结构的碳纤维复合材料层合板的两个端部加工为具有4个等腰梯形状凸出的榫和对应凹进的卯,所述等腰梯形的长边为9mm、短边为5mm,其中一个内角为70°;其中榫的结构如图2所示;
(3)将一块所述层合板的榫和另一块所述层合板的卯进行榫卯连接,如图3所示,在连接的接缝处涂抹FM-73型环氧树脂粘接剂,真空封装后在110℃下进行固化,打磨后制得榫卯连接的碳纤维复合材料层合板。
实施例2
本实施例的层合板与实施例1相同,不同之处在于,步骤(1)中铺设角度a=45,相应等腰梯形状的榫和卯的内角为45°,热压成型的温度为150℃,保温30min;步骤(3)中固化的温度为100℃。
实施例3
本实施例的层合板与实施例1相同,不同之处在于,步骤(1)中铺设角度a=60,相应等腰梯形状的榫和卯的内角为60°,热压成型的温度为143℃,保温40min;步骤(3)中固化的温度为110℃。
本发明方法能有效解决现有技术层合板连接方式的缺陷,所制得的层合板能够大大提高整体连接的承载能力;且榫卯连接处的碳纤维铺层保存完好,能够保证碳纤维在完整连续的情况下承受较高的载荷力;由于两块层合板处于同一个水平面,采用榫卯连接能够避免由偏心载荷引起的连接处撕裂的破坏形式,对于较厚的层合板也能提供较强的承载强度;可应用于汽车车身顶盖的大面积连接、无人机机翼的连接,满足轻量化设计及强度的需求。
Claims (8)
1.一种榫卯连接的碳纤维复合材料层合板的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)铺层结构的碳纤维复合材料层合板的制备:以所述铺层结构的碳纤维复合材料层合板的宽度方向作为90°方向,将碳纤维从上到下依次按照a°,-a°,90°,-a°,a°的顺序进行铺层,共铺设5层,其中a为碳纤维层的铺设角度,顺时针方向为负角度,a的取值为0<a<90;将铺层的碳纤维真空封装,注入树脂基体,置于热压罐中进行热压成型,制得具有铺层结构的碳纤维复合材料层合板;
(2)榫和卯的加工:将步骤(1)中制得的所述铺层结构的碳纤维复合材料层合板的两个端部加工为具有多个凸出的榫和对应凹进的卯,得到所述端部具有所述榫和对应所述卯的碳纤维复合材料层合板;
(3)将一块步骤(2)所述层合板的榫和另一块所述层合板的卯进行榫卯连接,在连接的接缝处涂抹粘接剂,真空封装后进行固化,打磨后制得榫卯连接的碳纤维复合材料层合板。
2.根据权利要求1所述的一种榫卯连接的碳纤维复合材料层合板的制备方法,其特征在于,所述a的取值为40~75。
3.根据权利要求1或2所述的一种榫卯连接的碳纤维复合材料层合板的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述碳纤维为TY碳纤维,所述树脂基体为HYG环氧类树脂。
4.根据权利要求1或2所述的一种榫卯连接的碳纤维复合材料层合板的制备方法,其特征在于,步骤(1)中每层所述碳纤维的厚度为1mm。
5.根据权利要求1或2所述的一种榫卯连接的碳纤维复合材料层合板的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述热压成型的过程是先升温至145℃~150℃,保温30min~50min后,再加1MPa的外压,然后保持压力继续升温至180℃,保温保压3h后,匀速降温至60℃以下,恢复正常压力移出热压罐。
6.根据权利要求1或2所述的一种榫卯连接的碳纤维复合材料层合板的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述榫和卯为等腰梯形状,其长边为9mm、短边为5mm,其中一个内角的度数为a°。
7.根据权利要求1或2所述的一种榫卯连接的碳纤维复合材料层合板的制备方法,其特征在于,步骤(3)中所述粘接剂为FM-73型环氧树脂。
8.根据权利要求1或2所述的一种榫卯连接的碳纤维复合材料层合板的制备方法,其特征在于,步骤(3)中所述固化的温度为100℃~120℃。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200428 |
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