CN112549589B - 预浸料增强杆植入方法、增强复合材料层压板及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种上述预浸料增强杆植入方法、增强复合材料层压板及制作方法，使用预穿孔的植入方式，挤开而非打断纤维，有效减轻植入时对纤维的损伤以及对增强杆的刚性的要求；高精度控制增强杆的植入深度和角度的方法，有助实现增强杆不穿透表面层纤维的植入方式，可大大降低增强杆对叠层平板面内性能的损伤，并在提高复材平板抗弯曲分层的能力的同时，有效地降低了对平面内压缩强度的影响，进一步提高复合材料的弯曲强度；该发明能够用于所有容易产生复合材料层间分层的结构，能够帮助改善复合材料抵抗分层扩展的能力，大大节约了设计和制造成本。

Description

预浸料增强杆植入方法、增强复合材料层压板及制作方法

技术领域

本发明涉及一种预浸料增强杆植入方法。

本发明还涉及一种增强复合材料层压板及其制作方法。

背景技术

树脂基碳纤维复合材料层压板，由于在厚度方向无纤维增强，在多次冲击下容易产生层间分层，这使层压板在较低的载荷下容易发生分层失稳和扩展，从而导致结构失效。为了改善层压板的层间性能，研究者开展了大量研究工作，其中穿厚增强(TTR)技术被认为能够有效地提高叠层复合材料抵抗分层扩展的能力。

穿厚增强(TTR)技术包括主要Stitching,Tufting和Z-pin技术，其中Stitching和Tufting技术由于缝线较粗，对预浸料磨损大，故主要用于干纤维织物穿厚增强，而Z-pin技术是唯一适用于预浸料工艺的三维增强技术，非常适合层合预浸料成型工艺，能够有效改善层压板的层间失效现象。

Z-pin增强复合材料层压板的层间性能，主要是通过z-pin与基体间的摩擦和粘接来实现。其具体的工艺过程是预先在预浸件中通过超声锤辅助手段直接嵌入固化好的纤维棒或金属棒，然后再按传统方法对含Z-pin的复合材料固化成型。但由于工业常用的超声锤辅助植入方式易打断叠层内的纤维，使Z-pin劈裂，难以控制植入质量；同时，由于超声锤辅助植入Z-Pin对纤维的损伤，使叠层板的面内强度和弯曲强度降低15-26％，并且Z-Pin直径越大，对面内性能损伤也越大。另外，超声锤辅助植入对Z-Pin的刚度有一定的要求，在高应变率下，刚度高的Z-Pin如常用的碳纤维Z-Pin容易发生脆性断裂，也降低了Z-Pin的增强效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种预浸料增强杆植入方法、增强复合材料层压板及制作方法，以解决现有的增强复合材料层压板增强效果低、面内性能损伤大的问题。

为解决上述问题，本发明提供以下技术方案：

本发明提供一种预浸料增强杆植入方法，包括以下步骤：

S1、将预浸料铺层于加热垫上，所述加热垫对所述预浸料进行加热；

S2、将坐标纸放置于所述预浸料的上表面，所述坐标纸上标记有若干预穿孔位置；

S3、确定一个尚未被穿孔的预穿孔位置，使用预穿孔针从该预穿孔位置插入所述预浸料中至预定深度；

S4、将所述预穿孔针从该预穿孔位置拔出，使所述预浸料上形成预穿孔，再将增强杆插入所述预穿孔中；

S5、判断所有预穿孔位置是否都已插入所述增强杆；若是，则执行步骤S6；若否，则执行步骤S3～S5；

S6、完成所述预浸料的植入。

在本技术方案中，通过挤开纤维的方式可以大幅减轻对纤维的损伤；同时，通过高精度控制增强杆的植入深度和角度，有助实现增强杆不穿透表面层纤维的植入方式，可大大降低增强杆对叠层平板面内性能的损伤，并在提高复材平板抗弯曲分层的能力的同时，有效地降低了对平面内压缩强度的影响，进一步提高了复合材料的弯曲强度。

优选地，所述增强杆由加捻纤维制成。

在本技术方案中，通过纤维加捻可降低增强杆的直径，也可以降低面内性能损失。

优选地，所述增强杆由聚酰亚胺纤维制成。

在本技术方案中，聚酰亚胺纤维作为增强杆的材料，其在180度反复弯折才会发生折断，相比较于常用的碳纤维增强杆的材料表现出较强的抗弯剪性能。

优选地，步骤S1中，所述预浸料采用T800级碳纤维制成，单层厚度为0.158mm；将预浸料铺层于加热垫上的铺层顺序为[45/0/-45/0]3s。

在本技术方案中，上述预浸料的选择和铺层顺序，可提高复合材料的弯曲性能和剪切性能。

优选地，在植入过程中，所述加热垫始终对所述预浸料进行加热，使所述预浸料的温度保持30摄氏度。

在本技术方案中，30摄氏度的预浸料的温度，可保证预穿孔针、增强杆的顺利插入。

优选地，所述预穿孔针的直径为0.5mm，相邻两个所述预穿孔位置之间的间距为2.5mm，所述增强杆的直径为0.3mm；在步骤S3中，所述预穿孔针插入所述预浸料中的作用力为3kg；在步骤S5中，在将所述预穿孔针拔出后，在一分钟以内将所述增强杆插入所述预穿孔中。

在本技术方案中，增强杆插入时间、直径与预穿孔针的直径的配合，保证了增强杆能在预穿孔针闭合前插入。

本发明还提供一种增强复合材料层压板，其特征在于，包括上表面层、下表面层和中间层，所述中间层由上述预浸料增强杆植入方法制成，所述中间层铺层于所述下表面层的上表面，所述上表面层铺层于所述中间层的上表面，所述上表面层、下表面层和中间层通过固化工艺相结合。

在本技术方案中，上述非穿透植入层压板，具有较佳的弯曲性能和剪切性能。

优选地，所述中间层的厚度等于所述上表面层的厚度、所述下表面层的厚度之和。

在本技术方案中，当1/2厚度植入增强杆时，层压板的弯曲强度最大可提升25.24％，显著提升了层压板的弯曲强度。

本发明还提供一种增强复合材料层压板的制作方法，包括以下步骤：

制备上表面层、下表面层和中间层，所述中间层由上述预浸料增强杆植入方法制成；

将所述中间层铺层于所述下表面层的上表面，将所述上表面层铺层于所述中间层的上表面，形成层压板；

将铺层好的层压板，在热压罐中进行固化。

在本技术方案中，通过上述制作方法，可以制作出非穿透植入层压板，使用上述方法制作的非穿透植入层压板，具有较佳的弯曲性能和剪切性能。

优选地，将铺层好的层压板，在热压罐中进行固化，包括以下步骤：

先将所述热压罐的温度以0.5℃/min～3℃/min升温至180±5℃，并在加热过程中抽真空；

再恒温保持120～180分钟，所述热压罐内的固化压力为0.074Mpa；

待保温结束后，以≤3℃/分钟的降温速率将所述热压罐内的温度冷却至室温。

在本技术方案中，通过上述步骤，可以实现层压板的固化。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

上述预浸料增强杆植入方法、增强复合材料层压板及制作方法，挤开而非打断纤维，有效减轻植入时对纤维的损伤以及对增强杆的刚性的要求；高精度控制增强杆的植入深度和角度的方法，有助实现增强杆不穿透表面层纤维的植入方式，可大大降低增强杆对叠层平板面内性能的损伤，并在提高复材平板抗弯曲分层的能力的同时，有效地降低了对平面内压缩强度的影响，进一步提高复合材料的弯曲强度；该发明能够用于所有容易产生复合材料层间分层的结构，能够帮助改善复合材料抵抗分层扩展的能力，大大节约了设计和制造成本。

附图说明

图1为本发明预浸料增强杆植入方法的步骤示意图。

图2为图1所示的预浸料增强杆植入方法的坐标纸的示意图。

图3为本发明增强复合材料层压板的结构示意图。

图4为本发明增强复合材料层压板的制作方法的步骤示意图。

图5a和图5b为本发明增强复合材料层压板的弯曲测试试验件的尺寸示意图。

图6为复合材料层压板的4种试验件的弯曲性能对比图。

图7为复合材料层压板的3种试验件的压缩剪切性能对比图。

图8为复合材料层压板的4种试验件的拉伸性能的对比图。

附图标记说明

坐标纸1，预穿孔位置11；上表面层10，下表面层20，中间层30。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供一种预浸料增强杆植入方法，包括以下步骤：

S1、将预浸料铺层于加热垫上，加热垫对预浸料进行加热；

S2、将如图2所示的坐标纸1放置于预浸料的上表面，坐标纸1上标记有若干预穿孔位置11；

S3、确定一个尚未被穿孔的预穿孔位置11，使用预穿孔针从该预穿孔位置11插入预浸料中至预定深度；

S4、将预穿孔针从该预穿孔位置11拔出，使预浸料上形成预穿孔，再将增强杆插入预穿孔中；

S5、判断所有预穿孔位置是否都已插入增强杆；若是，则执行步骤S6；若否，则执行步骤S3～S5；

S6、完成预浸料的植入。

其中，步骤S1中，预浸料采用T800级碳纤维制成，单层厚度为0.158mm；将预浸料铺层于加热垫上的铺层顺序为[45/0/-45/0]3s。

其中，在植入过程中，加热垫始终对预浸料进行加热，使预浸料的温度保持30摄氏度。

其中，预穿孔针的直径为0.5mm，相邻两个预穿孔位置之间的间距为2.5mm，增强杆的直径为0.3mm；在步骤S3中，预穿孔针插入预浸料中的作用力为3kg；在步骤S5中，在将预穿孔针拔出后，在一分钟以内将增强杆插入预穿孔中。

预穿孔后有一分钟左右的时间预穿孔的孔径会闭合到0.3mm左右，故增强杆有约一分钟的植入窗口时间。穿孔后用镊子夹起剪短的增强杆手工植入预穿孔，并用顶针顶入至预订深度。由于新的预穿孔会对相邻的预穿孔造成挤压闭合，植入过程中采用每个孔都预穿孔后紧接着植入增强杆流程而非连穿数孔再植入的方式。

上述预浸料增强杆植入方法中的增强杆，也称为Z-Pin。增强杆的头部可设计为光滑针尖，通过光滑针尖挤开纤维的方式可以大幅减轻对纤维的损伤。同时，通过高精度控制增强杆的植入深度和角度，有助实现增强杆不穿透表面层纤维的植入方式，可大大降低增强杆对叠层平板面内性能的损伤，并在提高复材平板抗弯曲分层的能力的同时，有效地降低了对平面内压缩强度的影响，进一步提高了复合材料的弯曲强度。

增强杆可以由聚酰亚胺纤维制成。聚酰亚胺纤维，具有优良的耐环境老化、低吸湿、耐高温、耐酸碱性能和耐磨损性能，该种纤维的断裂应变高达3.5％以上，高应变率下强度增大。聚酰亚胺纤维作为增强杆的材料，其在180度反复弯折才会发生折断，相比较于常用的碳纤维增强杆的材料表现出较强的抗弯剪性能。

增强杆由加捻纤维制成。比如，通过纤维加捻降低增强杆的直径，也可以降低面内性能损失。比如，使用带加捻计数器的特制工具对200D丝束的聚酰亚胺纤维进行手摇单向加捻，加捻到135捻，再通过拉挤工艺制作成增强杆，加捻后的增强杆的直径为0.17mm，因此，可见加捻可有效降低增强杆的直径。而增强杆使用聚酰亚胺纤维加捻制成，可以提高纤维与树脂界面结合性能，同时小丝束聚酰亚胺纤维的使用可以进一步提高增强杆的剪切强度，进一步降低被植入体的面内性能损失。

使用上述预浸料增强杆植入方法制成的预浸料，制得非穿透型层压板。如图3所示，该增强复合材料层压板，包括上表面层10、下表面层20和中间层30，中间层30由上述预浸料增强杆植入方法制成，中间层30铺层于下表面层20的上表面，上表面层10铺层于中间层30的上表面，上表面层10、下表面层20和中间层30通过固化工艺相结合。

其中，中间层30的厚度等于上表面层10的厚度、下表面层20的厚度之和。当1/2厚度植入增强杆时，层压板的弯曲强度最大可提升25.24％，显著提升了层压板的弯曲强度。

如图4所示，上述增强复合材料层压板的制作方法，包括以下步骤：

S10、制备上表面层10、下表面层20和中间层30，中间层30由上述预浸料增强杆植入方法制成；

S20、将中间层30铺层于下表面层20的上表面，将上表面层10铺层于中间层30的上表面，形成层压板；

S30、将铺层好的层压板，在热压罐中进行固化；具体而言，先将热压罐的温度以0.5℃/min～3℃/min升温至180±5℃，并在加热过程中抽真空；再恒温保持120～180分钟，热压罐内的固化压力为0.074Mpa；待保温结束后，以≤3℃/分钟的降温速率将热压罐内的温度冷却至室温。

按照上述工艺，获得无植入试验件、增强杆为不加捻碳纤维的非穿透植入试验件、增强杆为加捻聚酰亚胺纤维的预穿孔非穿透植入试验件、增强杆为不加捻聚酰亚胺纤维的预穿孔非穿透植入试验件。这4种试验件，固化后按要求进行试验件的机器加工，获得满足要求尺寸的弯曲试验件、压缩剪切和拉伸试验件，例如：弯曲测试试验件尺寸规格如图5a和图5b所示。按照ASTM D7264、ASTM D3039和ASTM D6641标准分别进行弯曲、剪切和拉伸测试。

图6所示为上述4种试验件的弯曲性能对比图，No z-pin对应无植入试验件，C z-pin对应增强杆为不加捻碳纤维的非穿透植入试验件，PI z-pin(加捻)对应增强杆为加捻聚酰亚胺纤维的预穿孔非穿透植入试验件，PI z-pin(不加捻)对应增强杆为不加捻聚酰亚胺纤维的预穿孔非穿透植入试验件。

从图6可知，非穿透植入Z-pin(即增强杆)时，试件弯曲强度最大可提升25.24％，新型预穿孔Z-pin植入技术显著提升试件弯曲强度；T300碳纤维Z-pin植入试件的弯曲强度略高于聚酰亚胺纤维Z-pin植入试件；另外，当植入聚酰亚胺纤维Z-pin时，加捻试件弯曲性能的提升大于不加捻试验件。

图7所示为无植入试验件、增强杆为不加捻碳纤维的非穿透植入试验件、增强杆为加捻聚酰亚胺纤维的预穿孔非穿透植入试验件的压缩剪切性能对比图，No ZPin对应无植入试验件，C ZPin对应增强杆为不加捻碳纤维的非穿透植入试验件，PI ZPin对应增强杆为加捻聚酰亚胺纤维的预穿孔非穿透植入试验件。

从压缩破坏极限载荷分析可以看出增强杆植入(Z-Pin植入)可以明显提高剪切性能，同时加捻聚酰亚胺纤维增强杆植入后剪切性能高于碳纤维增强杆，这与弯曲性能的提升趋势相反，设计人员可根据实际载荷工况来决定选择的Z-Pin植入材料的选择。

图8为无植入试验件、增强杆为不加捻碳纤维的非穿透植入试验件、增强杆为加捻聚酰亚胺纤维的预穿孔非穿透植入试验件、增强杆为不加捻聚酰亚胺纤维的预穿孔非穿透植入拉伸试验件的拉伸性能对比图，No z-pin对应无植入试验件，C z-pin对应增强杆为不加捻碳纤维的非穿透植入试验件，PI z-pin(加捻)对应增强杆为加捻聚酰亚胺纤维的预穿孔非穿透植入试验件，PI z-pin(不加捻)对应增强杆为不加捻聚酰亚胺纤维的预穿孔非穿透植入试验件。

从图8可知，非穿透植入的试验件的拉伸强度和刚度相比无Z-Pin植入的试件都有所降低，试件拉伸强度最大降低3.02％，新型预穿孔Z-pin植入技术降低了对拉伸强度的损伤；1/2厚度植入Z-pin时，T300碳纤维Z-pin植入试件的拉伸性能优于聚酰亚胺纤维Z-pin植入试件；另外，当植入聚酰亚胺纤维Z-pin时，加捻试件弯曲性能的提升大于不加捻试验件。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种预浸料增强杆植入方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将预浸料铺层于加热垫上，所述加热垫对所述预浸料进行加热；

S2、将坐标纸放置于所述预浸料的上表面，所述坐标纸上标记有若干预穿孔位置；

S3、确定一个尚未被穿孔的预穿孔位置，使用预穿孔针从该预穿孔位置插入所述预浸料中至预定深度；

S4、将所述预穿孔针从该预穿孔位置拔出，使所述预浸料上形成预穿孔，再将增强杆插入所述预穿孔中；

S5、判断所有预穿孔位置是否都已插入所述增强杆；若是，则执行步骤S6；若否，则执行步骤S3～S5；

S6、完成所述预浸料的植入，在植入过程中，所述加热垫始终对所述预浸料进行加热。

2.根据权利要求1所述的预浸料增强杆植入方法，其特征在于：所述增强杆由加捻纤维制成。

3.根据权利要求1或2所述的预浸料增强杆植入方法，其特征在于：所述增强杆由聚酰亚胺纤维制成。

4.根据权利要求1所述的预浸料增强杆植入方法，其特征在于：步骤S1中，所述预浸料采用T800级碳纤维制成，单层厚度为0.158mm；将预浸料铺层于加热垫上的铺层顺序为[45/0/-45/0]3s。

5.根据权利要求1所述的预浸料增强杆植入方法，其特征在于：在植入过程中，所述加热垫始终对所述预浸料进行加热，使所述预浸料的温度保持30摄氏度。

6.根据权利要求1所述的预浸料增强杆植入方法，其特征在于：所述预穿孔针的直径为0.5mm，相邻两个所述预穿孔位置之间的间距为2.5mm，所述增强杆的直径为0.3mm；在步骤S3中，所述预穿孔针插入所述预浸料中的作用力为3kg；在步骤S5中，在将所述预穿孔针拔出后，在一分钟以内将所述增强杆插入所述预穿孔中。

7.一种增强复合材料层压板，其特征在于，包括上表面层、下表面层和中间层，所述中间层由权利要求1至6任一项所述的预浸料增强杆植入方法制成，所述中间层铺层于所述下表面层的上表面，所述上表面层铺层于所述中间层的上表面，所述上表面层、下表面层和中间层通过固化工艺相结合。

8.根据权利要求7所述的增强复合材料层压板，其特征在于：所述中间层的厚度等于所述上表面层的厚度、所述下表面层的厚度之和。

9.一种增强复合材料层压板的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备上表面层、下表面层和中间层，所述中间层由权利要求1至6任一项所述的预浸料增强杆植入方法制成；

将所述中间层铺层于所述下表面层的上表面，将所述上表面层铺层于所述中间层的上表面，形成层压板；

将铺层好的层压板，在热压罐中进行固化。

10.根据权利要求9所述的增强复合材料层压板的制作方法，其特征在于，将铺层好的层压板，在热压罐中进行固化，包括以下步骤：

先将所述热压罐的温度以0.5℃/min～3℃/min升温至180±5℃，并在加热过程中抽真空；

再恒温保持120～180分钟，所述热压罐内的固化压力为0.074Mpa；

待保温结束后，以≤3℃/分钟的降温速率将所述热压罐内的温度冷却至室温。

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