CN113043628B - 一种超混杂复杂薄壁结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超混杂复杂薄壁结构及其制备方法，该结构包括锥体部和设于其顶端和底端的若干个耳板，所述锥体部为纤维‑金属超混杂复合材料的锥体管，包含若干层金属锥管，相邻两层金属锥管之间夹有预浸料层，所述锥体管外壁上还设有可吸能异型界面，所述耳板中至少有两个耳板的一侧自冲铆接金属片。本发明利用超混杂复合材料界面桥接作用使金属和纤维复合材料发生渐进失效，并依靠界面吸能；基于热压成形获得的异型界面结构提升其多角度冲击能力。基于热塑性树脂基体增强锥形结构的快速模压成型；并设计耳板结构与金属片自冲铆接方法，实现了纤维金属超混杂吸能结构的快速成型和连接，提高生产效率，降低生产成本。

Description

一种超混杂复杂薄壁结构及其制备方法
技术领域
本发明属于先进复合材料领域，更具体地，涉及一种超混杂复杂薄壁结构及其制备方法。
背景技术
耐撞性能是体现飞行器、船舶及车辆等交通工具被动安全防护能力的关键要素，而能量吸收是耐撞性研究的核心问题。金属薄壁结构通过自身的塑性变形吸收和耗散碰撞冲击能量，最早应用于耐撞吸能装置。其发生渐进压溃变形时呈现最优的吸能效果；但在不同受载条件下，吸能较差。纤维复合材料吸能是传统金属的3-5倍，但成本高，装配难度大。纤维金属层板，基于超混杂复合材料体系制备薄壁吸能结构，可有效结合金属层塑性变形吸能和纤维复合材料层断裂吸能特征，并通过纤维层/金属层界面的应力传递，发挥纤维桥接作用，有效避免金属层与纤维层的局部失稳，显著提高能量吸收能力。
纤维金属层板综合了金属和纤维材料的优点，具有轻质、抗疲劳、耐冲击、腐蚀性能优异等特征，广泛应用于航空航天领域、轨道交通、汽车等领域，但目前的研究和应用主要集中于板类解雇，纤维金属复合管的研究较少，纤维金属复合管的成形工艺备受关注。
目前有的工艺有：液压胀形工艺、旋压成形工艺等，华小歌提出的一种碳纤维环氧/铝合金复合管旋压成形制备方法，采用旋压工具制备碳纤维环氧/铝合金复合管，有效的解决了碳纤维环氧/铝合金复合管制备的难题，但制备效率低，且仅能实现圆管结构的制备并未充分发挥该类超混杂结构的吸能优势。而制备具有优异吸能性能的纤维金属超混杂薄壁结构，需解决一下问题：第一，实现该类材料的高效、快速制备；第二，基于耐撞实际服役环境，为满足多角度冲击条件下的稳定吸能，需在管类结构基础上，进行复杂界面的加工；第三，需解决超混杂复合结构与其它金属结构的连接问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足，提供一种轻质、吸能的高性能超混杂复杂薄壁结构，并提供了该结构的无模快速制备方法，显著提高吸能特性并降低了生产成本，安装简便。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种超混杂复杂薄壁结构，包括锥体部和设于其顶端和底端的若干个耳板，所述锥体部为纤维-金属超混杂复合材料的锥体管，包含若干层金属锥管，相邻两层金属锥管之间夹有预浸料层，所述锥体管外壁上还设有可吸能异型界面，所述耳板中至少两个耳板的一侧自冲铆接金属片。
本发明中，所述可吸能异型界面可以为使用工具头热压成型的凹槽。
本发明中，所述耳板由金属锥管切割弯折而成，可以设置多个对称且大小一致的锯齿状的耳板，优选设置为顶部和底部各4个。所述耳板与金属片的自冲铆接，可以使用表面具有Al2O3陶瓷层的铝合金铆钉沿耳板至金属片方向自冲铆接，使其更加有利于装配。其他耳板可以采用相同的自冲铆接方法连接至其他金属部件。
本发明中，所述金属锥管的金属为有色金属或其合金，优选为铝、钛及其合金。
本发明中，所述预浸料中的树脂为连续纤维增强热塑性树脂，优选为聚丙烯树脂、聚苯硫醚树脂或尼龙，为了提高贴膜度，使用前需预加热。
本发明中，所述超混杂复杂薄壁结构可以为2/1结构(即两层金属锥管一层预浸料)或3/2结构(即三层金属锥管两层预浸料)。
本发明中，所述锥体管的锥体角可以在1°～10°之间。
上述的一种超混杂复杂薄壁结构的制备方法，包括以下步骤：
1)准备内、外层金属锥管；为提高贴合度，加工前对其进行表面处理；
2)对内层金属锥管的外表面铺设预浸料；为了提高贴膜度，所述预浸料进行预加热；
3)取经过表面处理的外层金属锥管，将外层金属锥管套在铺有预浸料的内层金属锥管上，内、外层金属锥管合模上下加压，对外层金属锥管面均匀感应加热，形成锥体管；
4)将上下加压的压力卸载至步骤3)中压力的20％～30％，使用工具头在锥体管外壁垂直于锥形面施加载荷，锥体管内部利用压缩空气进行反向支撑，形成锥体管外壁上的可吸能异型界面；
5)对金属锥管进行冷却，然后卸载压力；
6)将锥体管顶部和底部的无纤维区切除后，沿上下边缘处切割获得若干个锯齿状的耳板；
7)利用可加热折弯工具对耳板向外进行折弯至90°，折弯处圆角半径1-3mm；
8)在耳板的一侧放置金属片，沿耳板至金属片方向自冲铆接。
上述制备方法中，对于锥体管中含多层预浸料的超混杂复杂薄壁结构，在进行步骤4)之前，根据所设计的纤维-金属超混杂复杂薄壁结构，可以重复步骤2)和步骤3)，即重复预浸料铺设和套外层金属锥管的步骤。
上述制备方法中，步骤3)中上下加压的压力为
Figure BDA0002953933540000031
式中，P为金属与树脂结合所需压强，为0.6MPa～2Mpa，D1为金属锥管小头内径，D2为金属锥管大头内径，H为金属锥管的高度，θ为金属锥管的锥体角，可以为1°～10°。其中，内、外层金属锥管的尺寸一致。
上述制备方法中，步骤3)中上下加压装置表面可以设置2～4mm硅橡胶，以保障加热均匀，并防止树脂溢出，一般采用热压设备进行上下加压，其上下压板的施压表面设置硅橡胶。
上述制备方法中，步骤3)中感应加热采用锥形环面感应加热头进行加热，加热温度范围为200～290℃，所述锥形环面感应加热头的直径比外层金属锥管的外径大2～5mm。
上述制备方法中，步骤4)中使用工具头对锥体管外壁施加载荷，同时可以沿锥形面向各个方向移动，形成各种不同形状的压力凹槽。所述工具头的下压量可以为0～0.8D，D为工具头直径，所述工具头的直径范围可以选0.1～1mm，工具头的移动方向可以垂直于锥体管中心轴方向，或平行于锥体管中心轴方向，或者垂直以及平行于锥体管中心轴方向，也可以沿锥形面螺旋式移动。锥体管内部压缩空气的反向支撑力为0～0.8MPa。
上述制备方法中，步骤5)中可以采用气冷的方式冷却，如热压设备通入锥体管内部的循环空气，冷却速率为0.33℃/S-0.67℃/S。
上述制备方法中，步骤6)中可以沿金属锥管顶部和底部的边缘5～10mm处进行切割，优选均匀切割成4个对称且大小一致的锯齿状耳板。
上述制备方法中，步骤8)可以使用表面具有Al2O3陶瓷层的铝合金铆钉进行自冲铆接。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明制备了一种可以吸能的纤维-金属超混杂复杂薄壁结构，利用超混杂复合材料界面桥接作用使金属和纤维复合材料发生渐进失效，并依靠界面吸能；并基于热压成形获得的可吸能异型界面结构提升其多角度冲击能力。
(2)本发明基于热塑性树脂基体增强锥形结构的快速模压成型；并设计耳板结构，提出了可避免纤维-金属电位腐蚀的自冲铆接方法，实现了纤维金属超混杂吸能结构的快速成型和连接，对提高该类结构生产效率，降低生产成本具有重要意义。
(3)本发明率先提出了纤维金属混杂结构基于工具头的热成形方法，为该类材料复杂零件成型提供重要参考。
(4)本发明所述结构显著提高吸能特性并降低了生产成本，安装简便，可应用于航空、汽车、高铁等交通工具中制备有轻质、高性能吸能需求的吸能盒。
附图说明
图1为本发明实施例1所述的超混杂复杂薄壁结构的结构示意图。
图2为图1的B-B向剖面图。
图3为本发明实施例1所述的超混杂复杂薄壁结构的俯视图。
图4为本发明实施例2所述的超混杂复杂薄壁结构的结构示意图。
图5为图4的B-B向剖面图。
图6为本发明实施例2所述的超混杂复杂薄壁结构的俯视图。
图7为本发明实施例3所述的超混杂复杂薄壁结构的结构示意图。
图8为图7的B-B向剖面图。
图9为本发明实施例3所述的超混杂复杂薄壁结构的俯视图。
图10为本发明实施例所述的超混杂复杂薄壁结构的制备过程中的状态图。
图11为本发明所述的超混杂复杂薄壁结构的制备及连接方法流程图。
图中：1-锥体部，2-耳板，3-可吸能异型界面，4-金属片，5-预浸料，6-内层金属锥管，7-外层金属锥管。
具体实施方式
下面将结合具体实施例更详细地描述本发明的优选实施方式。
实施例1
如图1～3所示的一种超混杂复杂薄壁结构，包括锥体部1和设于其顶端和底端的若干个耳板2，所述锥体部1为纤维-金属超混杂复合材料的锥体管，包含若干层金属锥管，相邻两层金属锥管之间夹有预浸料层5，所述锥体管外壁上还设有热压成型的可吸能异型界面3，顶部和底部的耳板2中分别选对称的一组自冲铆接金属片4。
本实施例所述的超混杂复杂薄壁结构，是通过以下方法制备得到的：
1)选取一根小头外径为31mm内径为28mm，大头外径为93mm内径为90mm长200mm的6061铝合金锥管作为内层金属锥管，通过磷酸阳极氧化对其进行表面处理。裁取上底长88mm，下底长283mm，高200mm等腰梯形的含聚丙烯树脂的预浸料缠绕铺贴在金属内锥管上；
2)选取一根小头外径为31mm内径为28mm，大头外径为93mm内径为90mm长200mm的6061铝合金锥管作为外层金属锥管，通过磷酸阳极氧化对其进行表面处理；
3)取经过表面处理的外层金属锥管7，使用热压设备将外层金属锥管4套在铺有含聚丙烯树脂的预浸料5的内层金属锥管6上，如图10所示，内外层金属锥管合模上下加压，根据计算所得，施加载荷为0.5KN；
4)采用锥形环面感应加热头对锥体管面均匀感应加热，所述锥形环面感应加热头的直径比外层金属锥管的外径大2～5mm，加热温度为200℃；
5)将上下加压的压力卸载至步骤3)中压力的20％～30％，使用下压量直径为0.8mm的工具头在锥体管外壁垂直于锥形面施加载荷并沿锥形面水平移动，锥管内利用0.8MPa压缩空气进行反向支撑，得到可吸能异型界面；
6)利用锥体管内循环空气对锥体管进行冷却，冷却速率为0.33℃/S；
7)卸载压力；
8)将锥体管顶部和底部的无纤维区切除后，沿上下边缘10mm处切割4个对称且大小一致的锯齿状的耳板；
9)利用可加热折弯工具对耳板向外进行折弯至90°，圆角半径3mm；
10)利用表面具有Al2O3陶瓷层的铝合金铆钉沿耳板至金属片方向自冲铆接，即得到2/1结构的纤维-金属超混杂复杂薄壁结构。
实施例2
如图4～6所示的一种超混杂复杂薄壁结构，包括锥体部1和设于其顶端和底端的若干个耳板2，所述锥体部1为纤维-金属超混杂复合材料的锥体管，包含若干层金属锥管，相邻两层金属锥管之间夹有预浸料层5，所述锥体管外壁上还设有热压成型的可吸能异型界面3，顶部和底部的耳板2中分别选对称的一组自冲铆接金属片4。
本实施例所述的超混杂复杂薄壁结构，是通过以下方法制备得到的：
1)选取一根小头外径为10mm内径为9mm，大头外径为71mm内径为70mm长200mm的TC4钛合金锥管作为内层金属锥管，通过阳极氧化反应对其进行表面处理。裁取上底长19mm，下底长220mm，高200mm等腰梯形的含聚苯硫醚树脂的预浸料缠绕铺贴在内层金属锥管上；
2)选取一根小头外径为10mm内径为9mm，大头外径为71mm内径为70mm长200mm的6061铝合金锥管作为外层金属锥管，通过阳极氧化对其进行表面处理；
3)取经过表面处理的外层金属锥管7，使用热压设备将外层金属锥管4套在铺有含聚丙烯树脂的预浸料5的内层金属锥管6上，如图10所示，内外层金属锥管合模上下加压，根据计算所得，施加载荷为0.4KN；
4)采用锥形环面感应加热头对锥体管面均匀感应加热，所述锥形环面感应加热头的直径比外层金属锥管的外径大2～5mm，加热温度为290℃；
5)将上下加压的压力卸载至步骤3)中压力的20％～30％，使用下压量直径为0.6mm的工具头在锥体管外壁垂直于锥形面施加载荷并沿锥形面竖直移动，锥管内利用0.6MPa压缩空气进行反向支撑，得到可吸能异型界面；
6)利用锥体管内循环空气对锥体管进行冷却，冷却速率为0.67℃/S；
7)卸载压力；
8)将锥体管顶部和底部的无纤维区切除后，沿上下边缘8mm处切割4个对称且大小一致的锯齿状的耳板；
9)利用可加热折弯工具对耳板向外进行折弯至90°，圆角半径2mm；；
10)利用表面具有Al2O3陶瓷层的铝合金铆钉沿耳板至金属片方向自冲铆接，即得到2/1结构的纤维-金属超混杂复杂薄壁结构。
实施例3
如图7～9所示的一种超混杂复杂薄壁结构，包括锥体部1和设于其顶端和底端的若干个耳板2，所述锥体部1为纤维-金属超混杂复合材料的锥体管，包含若干层金属锥管，相邻两层金属锥管之间夹有预浸料层5，所述锥体管外壁上还设有热压成型的可吸能异型界面3，顶部和底部的耳板2中分别选对称的一组自冲铆接金属片4。
本实施例所述的超混杂复杂薄壁结构，是通过以下方法制备得到的：
1)选取一根小头外径为11mm内径为8mm，大头外径为93mm内径为90mm长200mm的6061铝合金锥管作为内层金属锥管，通过磷酸阳极氧化对其进行表面处理。裁取上底长26mm，下底长283mm，高200mm等腰梯形的含尼龙的预浸料缠绕铺贴在内层金属锥管上；
2)选取一根小头外径为11mm内径为8mm，大头外径为93mm内径为90mm长200mm的6061铝合金锥管作为外层金属锥管，通过磷酸阳极氧化对其进行表面处理；
3)取经过表面处理的外层金属锥管7，使用热压设备将外层金属锥管4套在铺有含聚丙烯树脂的预浸料5的内层金属锥管6上，如图10所示，内外层金属锥管合模上下加压，根据计算所得，施加载荷为0.4KN；
4)采用锥形环面感应加热头对锥体管面均匀感应加热，所述锥形环面感应加热头的直径比外层金属锥管的外径大2～5mm，加热温度为260℃；
5)将上下加压的压力卸载至步骤3)中压力的20％～30％，使用下压量直径为0.5mm的工具头在锥体管外壁垂直于锥形面施加载荷，并沿锥形面水平以及竖直移动，锥管内利用0.5MPa压缩空气进行反向支撑，得到可吸能异型界面；
6)利用锥体管内循环空气对锥体管进行冷却，冷却速率为0.56℃/S；
7)卸载压力；
8)将锥体管顶部和底部的无纤维区切除后，沿上下边缘5mm处切割4个对称且大小一致的锯齿状的耳板；
9)利用可加热折弯工具对耳板向外进行折弯至90°，圆角半径1mm；
10)利用表面具有Al2O3陶瓷层的铝合金铆钉沿耳板至金属片方向自冲铆接，即得到2/1结构的纤维-金属超混杂复杂薄壁结构。
本发明所述超混杂复杂薄壁结构的制备成形的流程图如图11所示。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和技术原理的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的，这些修改和变更也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种超混杂复杂薄壁结构的制备方法，其特征在于，所述超混杂复杂薄壁结构包括锥体部和设于其顶端和底端的若干个耳板，所述锥体部为纤维-金属超混杂复合材料的锥体管，包含若干层金属锥管，相邻两层金属锥管之间夹有预浸料层，所述锥体管外壁上还设有可吸能异型界面，所述耳板中至少有两个耳板的一侧自冲铆接金属片；
包括以下步骤：
1) 准备内、外层金属锥管；
2) 对内层金属锥管的外表面铺设预浸料；
3)将外层金属锥管套在铺有预浸料的内层金属锥管上，内、外层金属锥管合模上下加压，对外层金属锥管面均匀感应加热，形成锥体管；
4) 将上下加压的压力卸载至步骤3）中压力的20%~30%，使用工具头在锥体管外壁垂直于锥形面施加载荷，锥体管内部利用压缩空气进行反向支撑，形成锥体管外壁上的可吸能异型界面；
5) 对锥体管进行冷却，然后卸载压力；
6) 将锥体管顶部和底部的无纤维区切除后，沿上下边缘处切割获得若干个锯齿状的耳板；
7) 利用可加热折弯工具对耳板向外进行折弯至90°，折弯处圆角半径1-3mm；
8）在耳板的一侧放置金属片，沿耳板至金属片方向自冲铆接。
2.根据权利要求1所述的超混杂复杂薄壁结构的制备方法，其特征在于对于锥体管中含多层预浸料的超混杂复杂薄壁结构，在所述步骤4）之前，重复步骤2）和步骤3）。
3.根据权利要求1或2所述的超混杂复杂薄壁结构的制备方法，其特征在于所述步骤3）中上下加压的压力为
Figure 496502DEST_PATH_IMAGE002
式中，P为金属与树脂结合所需压强，为0.6MPa~2Mpa，D1为金属锥管小头内径，D2为金属锥管大头内径，H为金属锥管的高度，θ为金属锥管的锥体角。
4.根据权利要求1或2所述的超混杂复杂薄壁结构的制备方法，其特征在于所述步骤3）中上下加压装置表面设有2~4mm硅橡胶。
5.根据权利要求1或2所述的超混杂复杂薄壁结构的制备方法，其特征在于所述步骤3）中感应加热采用锥形环面感应加热头进行加热，加热温度范围为200~290℃，所述锥形环面感应加热头的直径比外层金属锥管的外径大2~5mm。
6.根据权利要求1或2所述的超混杂复杂薄壁结构的制备方法，其特征在于所述步骤4）中使用工具头加工时，工具头下压量为0~0.8D，锥体管内部压缩空气的反向支撑力为0~0.8MPa。
7.根据权利要求1或2所述的超混杂复杂薄壁结构的制备方法，其特征在于所述步骤5）采用气冷的方式冷却，冷却速率为0.33℃/S-0.67℃/S。
8.根据权利要求1或2所述的超混杂复杂薄壁结构的制备方法，其特征在于所述步骤7）采用折弯工具对耳板进行折弯时，在耳板周围2mm以上距离均匀加热。
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