CN114074437A - 一种纤维复合材料交叉肋条薄铺层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纤维复合材料交叉肋条薄铺层及其制备方法。本发明的纤维复合材料交叉肋条薄铺层通过如下方法制备得到，包括如下步骤：S1.将若干条纤维单向铺设，形成单层铺层，相邻单层铺层交叉铺设形成肋条两端区、交叉区及处于所述两端区和交叉区间的过渡区；S2.对过渡区的肋条进行逐渐增宽减薄处理，使得过渡区肋条的宽度的最大值大于两端区的肋条的宽度；交叉区的肋条宽度与过渡区的肋条最小宽度一致，即得所述肋条交叉铺层。本发明通过设计一种过渡区，并对过渡区的肋条进行逐渐增宽减薄处理，使交叉区的肋条的厚度变薄，避免局部隆起的出现，提高了轴向承载性能。
Description
技术领域
本发明属于复合材料结构设计及制备领域，具体涉及一种纤维复合材料交叉肋条薄铺层及其制备方法。
背景技术
对于连续纤维增强复合材料点阵结构(包括桁架结构、格栅结构等)交叉肋条部件，交叉位置给结构设计和制备带来了困难，要么纤维取向难以同时满足不同方向的承载需求，要么肋条交叉重叠区域隆起增厚、纤维面外弯曲。常规的交叉肋条制备工艺包括连续纤维直接叠放法(Solovyev P V,Gomzin A I,Ishbulatov L A,et al.Stress-StrainState Exploration of Stringer Made of Composite Materials Depending on LayersStacking Structure[J].Solid State Phenomena,2018,284:71-76.) 以及纤维织物剪裁法(Pekmezci B Y,Opurolu A.Mechanical Properties of Carbon-Fabric-ReinforcedHigh-Strength Matrices[J].Materials,2020,13(16):3508.)。前者将会导致肋条交叉重叠区域局部宏观隆起以及应力集中；后者虽避免了这一问题，但织物中纤维的编织方式使得在肋条轴向纤维含量减半，肋条的承载能力大大减低。上述两种常规方式均难以完全发挥纤维的轴向承载能力。
因此，需要提供一种既可以避免交叉重叠区域局部宏观隆起以及应力集中的问题，同时还不会降低轴向承载能力的肋条交叉薄铺层的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术中无法同时解决交叉重叠区域局部宏观隆起、应力集中以及轴向承载能力降低的缺陷，提供一种纤维复合材料交叉肋条薄铺层的制备方法。本发明的制备方法，通过设计一种过渡区，并对过渡区的肋条进行逐渐增宽减薄处理，使交叉区的肋条的厚度变薄，避免局部隆起的出现，提高了轴向承载性能。
本发明的另一目的在于，提供由所述制备方法制备得到的纤维复合材料交叉肋条薄铺层。
本发明的另一目的在于，提供所述纤维复合材料交叉肋条薄铺层在制备交叉肋条部件中的应用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种纤维复合材料交叉肋条薄铺层的制备方法，包括如下步骤：
S1.将若干条纤维单向铺设，形成一层铺层，相邻单层铺层交叉铺设形成肋条两端区、交叉区及处于所述两端区和交叉区间的过渡区；
S2.对过渡区的肋条进行逐渐增宽减薄处理，使得过渡区肋条的宽度的最大值大于两端区的肋条的宽度；交叉区的肋条宽度与过渡区的肋条最大宽度一致，即得所述肋条交叉铺层。
本发明通过设计一种过渡区，并对过渡区的肋条进行逐渐增宽减薄处理，使交叉区的肋条的厚度变薄，在肋条的过渡区，纤维由平行取向变为偏转取向，最后到达薄铺层区又重新收拢呈平行取向，铺层宽度和厚度平缓过渡，既保证了交叉区一定的肋条厚度，避免局部隆起的出现，又保证了肋条的轴向承载性能不会下降。
优选地，过渡区肋条的宽度的最大值为两端区的肋条的宽度的1～2倍。
优选地，所述肋条为多层结构，所述多层结构中，至少两层为不完全重叠设计。
肋条在交叉区域可采用正交或斜交的方式。
优选地，交叉区的纤维交叉铺设的角度为10～90°。
进一步优选地，交叉区的纤维交叉铺设的角度为90°。
优选地，所述肋条的两端区、过渡区及交叉区的长度的比值为1:0.1:0.1～1:1：1。
优选地，肋条的两端区和交叉区的厚度的比例为1:0.5～1。
进一步优选地，所述肋条的两端区和交叉区的厚度的比例为1:0.5～0.8。
优选地，所述纤维为碳纤维。
优选地，纤维交叉铺设需要梳齿状模具进行导向。所述梳齿状模具每组由两道平行放置的梳齿组成，梳齿垂直于肋条平面，根据实际交叉结构，共需4组。
优选地，所述梳齿状模具分别放置在肋条的过渡区的两端，梳齿状模具的宽度与肋条的过渡区的两端的宽度保持一致。
优选地，所述梳齿状模具由短切碳纤维增强环氧树脂经热压成型制备得到。
需要说明的是，纤维数量一定的条件下，肋条的宽度增加，厚度会相应地变薄，最后通过热压成型，可以将肋条的厚度压至指定厚度。
优选地，本发明所述的制备方法还包括将梳齿状模具与肋条交叉铺层采用热压成型的方式进行共固化。
一种纤维复合材料交叉肋条薄铺层，由上述制备方法制备得到。
所述纤维复合材料交叉肋条薄铺层在制备肋条交叉部件中的应用也在本发明的保护范围之内。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明通过设计一种过渡区，并对过渡区的肋条进行逐渐增宽减薄处理，使交叉区的肋条的厚度变薄，在肋条的过渡区，纤维由平行取向变为偏转取向，最后到达薄铺层区又重新收拢呈平行取向，铺层宽度和厚度平缓过渡，既保证了交叉区一定的肋条厚度，避免局部隆起的出现，又保证了肋条的轴向承载性能不会下降。
附图说明
图1为肋条交叉铺层的结构示意图，1为肋条两端区，2为肋条过渡区，3 为肋条交叉区，4为纤维的偏转取向；
图2为用于铺设图1所述铺层的梳齿状模具的结构示意图，5为纤维的平行导向，6为第一道梳齿状模具，7为第二道梳齿模具。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
实施例1
本实施例提供一种肋条交叉铺层及其制备方法，包括如下步骤：
S1：铺设肋条两端区、交叉区及处于所述两端区和交叉区间的过渡区，具体包括：
S11.在肋条的过渡区的两端分别放置一道梳齿状模具，梳齿状模具的结构示意图如图2所示，梳齿状模具包括第一道梳齿状模具6和第二道梳齿状模具7，其中第一道梳齿状模具设于过渡区一端(如图2中的6)，具有8根梳齿，相邻齿状物的间距为2(mm)，剩余梳齿平行设于过渡区另一端，具有17根梳齿，相邻齿状物的间距为2(mm)；
S12.将若干条纤维交叉铺设，在肋条两端区纤维平行取向，经过第一道梳齿状模具6和第二道梳齿状模具7，在两道梳齿状模具之间形成肋条过渡区，经过第二道梳齿状模具7后，纤维平行取向形成交叉区，其中，肋条的两端区、过渡区及交叉区的长度的比值为1:0.2:0.2；
S2.对过渡区的肋条进行逐渐增宽减薄处理，使得过渡区肋条的宽度的最大值为两端区的肋条的宽度的1.3倍(如图1所示)，肋条的两端区和交叉区的厚度的比例为1:0.8；
S3.将梳齿状模具与纤维采用热压成型的方式进行共固化，即得到固化成型后的肋条交叉铺层。
肋条交叉铺层结构示意图如图1所示，图中1为肋条两端区，2为肋条过渡区，3为肋条交叉区。本发明的肋条交叉铺层，在肋条的过渡区，纤维由平行取向变为偏转取向，最后到达薄铺层区又重新收拢呈平行取向，铺层宽度和厚度平缓过渡，既保证了交叉区一定的肋条厚度，避免局部隆起的出现，又保证了肋条的轴向承载性能不会下降。
通过调整第一道梳齿状模具6和第二道梳齿状模具7的齿数以及齿间距，可以得到不同宽度和厚度规格的肋条交叉铺层。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纤维复合材料交叉肋条薄铺层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将若干条纤维单向铺设，形成单层铺层，相邻单层铺层交叉铺设形成肋条两端区、交叉区及处于所述两端区和交叉区间的过渡区；
S2.对过渡区的肋条进行逐渐增宽减薄处理，使得过渡区肋条的宽度的最大值大于两端区的肋条的宽度；交叉区的肋条宽度与过渡区的肋条最大宽度一致，即得所述纤维复合材料交叉肋条薄铺层。
2.根据权利要求1所述纤维复合材料交叉肋条薄铺层的制备方法，其特征在于，过渡区肋条的宽度的最大值为两端区的肋条的宽度的1～2倍。
3.根据权利要求1所述纤维复合材料交叉肋条薄铺层的制备方法，其特征在于，所述肋条为多层结构，所述多层结构中，至少两层为不完全重叠设计。
4.根据权利要求1所述纤维复合材料交叉肋条薄铺层的制备方法，其特征在于，交叉区的纤维交叉铺设的角度为10～90°。
5.根据权利要求1所述纤维复合材料交叉肋条薄铺层的制备方法，其特征在于，所述肋条的两端区、过渡区及交叉区的长度的比值为1:0.1:0.1～1:1:1。
6.根据权利要求1所述纤维复合材料交叉肋条薄铺层的制备方法，其特征在于，所述肋条的两端区和交叉区的厚度的比例为1:0.5～1。
7.根据权利要求6所述纤维复合材料交叉肋条薄铺层的制备方法，其特征在于，所述肋条的两端区和交叉区的厚度的比例为1:0.5～0.8。
8.根据权利要求1所述纤维复合材料交叉肋条薄铺层的制备方法，其特征在于，纤维交叉铺设需要梳齿状模具进行导向，所述梳齿状模具每组由两道平行放置的梳齿组成，梳齿垂直于肋条平面。
9.一种纤维复合材料交叉肋条薄铺层，其特征在于，由权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到。
10.权利要求9所述纤维复合材料交叉肋条薄铺层在制备肋条交叉部件中的应用。
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