CN114211774A - 一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板‑管负泊松比结构及制备方法，主体为一个复合材料波纹板‑管负泊松比堆叠结构，内部为复合材料管结构，基于热模压成型工艺的复合材料波纹板‑管负泊松比结构主要采用树脂基纤维增强预浸料材料，使用热模压成型工艺及二次成型工艺进行制备，减少由于大批量生产需求带来的工作繁琐，成本过高的缺点，使得结构的制备更加经济高效。本发明中的基于热模压成型工艺的复合材料波纹板‑管负泊松比结构其在承受冲击载荷时，可通过波纹板‑管结构变形传递能量，且由于复合材料波纹板和复合材料管的结构力学性能不同，在压缩过程中会产生多阶段吸能特点，从而起到缓冲吸能的作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构制备方法。
背景技术
纤维增强复合材料具有密度小、比强度和比模量高、疲劳强度高、耐腐蚀性、耐热性及综合性能好等特点，被广泛应用于化工、水利、电子电器、轨道交通以及航空航天等领域。
发明内容
本发明为了超越传统金属负泊松比结构的弹性变形能力，在冲击载荷中起到更好的吸能效果和负泊松比效果，设计了一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构制备方法。
本发明涉及的一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构，主体为一个复合材料波纹板-管负泊松比堆叠结构，内部为复合材料管结构。基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构主要采用树脂基纤维增强预浸料材料，使用热模压成型工艺及二次成型工艺进行制备，减少由于大批量生产需求带来的工作繁琐，成本过高的缺点，使得结构的制备更加经济高效。本发明中的基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构其在承受冲击载荷时，可通过波纹板-管结构变形传递能量，且由于复合材料波纹板和复合材料管的结构力学性能不同，在压缩过程中会产生多阶段吸能特点，从而起到缓冲吸能的作用。
本发明所述结构还包括以下特征：
所述结构为块状，其尺寸可根据需求通过计算各行各列所需单元体进行设计制造；
所述单元体可根据需求进行周期拓扑，以满足不同设计需求；
所述基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构由热模压成型工艺制作而成，纤维织物主要采用碳纤维材料。
一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构制备方法步骤如下：
(1)根据需求计算所需多胞结构尺寸，分别制作波纹板及管的模具；
(2)选取性能合适的纤维单向带/织物预浸料作为原料；
(3)在模具上涂抹脱模剂，并铺设剥离布；
(4)将纤维织物裁剪成合适尺寸，并铺设在下层模具上；
(5)使用热模压成型工艺进行成型固化，脱模后即为基于热模压成型工艺的复合材料波纹板和复合材料管。
(6)将复合材料波纹板和复合材料管根据设计需求裁剪成合适的尺寸，并按照设计型架进行拼搭及粘接，固化后即为基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构。
本发明制备方法还有一些特征：
所述模具由波纹板的上下模具及尺寸为复合材料管内径的钢管组成，且制得的复合材料波纹板与复合材料管外径相切；
所述模具尺寸恰好等于纤维织物的尺寸且成型后的纤维板结构远大于所需复合材料波纹板尺寸，一次成型后通过雕刻可制得多块复合材料波纹板，极大程度提高生产效率；
所述制作过程中剥离布的使用极大程度提高了复合材料波纹板与复合材料管的粘接面积，增强与复合材料管的粘接性能。
所述型架的设计可以使成品试件上下表面水平，且固定复合材料管在结构中的位置，从而使结构极大程度贴合设计方案。
本发明的有益效果在于：
该结构为复合材料波纹板-管堆叠负泊松比结构，在工程实际中，对比常见的金属负泊松比结构，复合材料波纹板-管堆叠负泊松比结构具有更优异的力学性能，且该复合材料波纹板-管堆叠结构更贴近生产实际情况如汽车吸能盒、飞机地板、卫星壁板结构等。在变形阶段，复合材料波纹板-管堆叠负泊松比结构具有负泊松比特性，结构纵向方受到压缩载荷时结构具有横向收缩的特性，从而增加结构刚度。同时，在大受力/大冲击载荷情况下，无填充复合材料波纹板堆叠负泊松比结构往往不能很好地完成任务，该结构也为多层泡沫填充复合材料波纹板堆叠负泊松比结构提供了设计基础。且相比金属负泊松比结构，该结构也为复合材料负泊松比结构应用于生产生活中提供了思路。
本发明提出一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构，不同于传统金属负泊松比结构，本发明中的复合材料波纹板-管负泊松比结构由热模压成型工艺制备，并由于内部的复合材料管的支撑，此种结构可增大负泊松比结构在受到冲击载荷时的吸能效果，达到更好的缓冲减振作用。
附图说明
图1为本发明的复合材料波纹板-管负泊松比结构单胞芯子示意图。其中D为复合材料管结构的外径，也决定了该复合材料波纹板-管负泊松比结构的单胞主要高度，d为复合材料管结构的内径，t为复合材料波纹板的厚度，b为复合材料波纹板-管负泊松比结构单胞芯子的深度。图中给出的复合材料波纹板-管负泊松比结构单胞芯子以D、d、t和b为变量，可以通过改变这些参数决定复合材料波纹板-管负泊松比结构的大小、厚度等。
图2为本发明的波纹板模具示意图。其中波纹板模具分为上下两部分，且模具由金属制成，在制件的同时提供一定程度的压力，促进树脂析出，提高复合材料波纹板的纤维含量。图中给出的模具与图1中提及的D、t和b相关，可通过需要得到波纹板模具。
图3为本发明的复合材料波纹板结构及复合材料波纹板局部放大示意图。可以通过改变模具尺寸D、t和b以及波纹板阵列数目n，让复合材料波纹板足够大，便于制备多胞结构。
图4为本发明的型架示意图。该型架由定位板、定位管以及挡板组成，定位板上根据复合材料波纹板-管负泊松比结构中管的位置进行开口，且开口大小与复合材料管的内径大小相同。根据定位板上开口大小设计定位管，从而限制复合材料波纹板-管负泊松比结构中管的位置，挡板保证了复合材料波纹板的位置，使结构可以最大限度符合设计要求。
图5为本发明的完整装配图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1和图2，复合材料波纹板-管负泊松比结构的相对密度可通过调整任意参数进行设计，图1和图2中给出的复合材料波纹板-管负泊松比结构单胞芯子示意图是以D、d、t和b为变量，设计出的复合材料波纹板和复合材料管两种结构，其中可以通过设计不同的尺寸，从而获得不同大小的复合材料波纹板-管负泊松比结构。
因此一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构制备方法实施方式为：
(1)根据需求计算复合材料波纹板和复合材料管的尺寸，确定复合材料波纹板-管负泊松比结构单胞个数及相对密度；
(2)按照所需单胞尺寸，设计金属模具并按照卷管机尺寸制出相应尺寸的金属棒，单胞和模具如图1及图2所示；
(3)选取力学性能合适的纤维织物作为加强材料裁剪成适合的尺寸并按照设计层数铺设在模具上方，并在模具与纤维织物之间铺设剥离布以增加结构粘接面积；
(4)按照固化时间温度表对复合材料波纹板及复合材料管进行固化，并加工为所需尺寸；
(5)将固化后的复合材料波纹板和复合材料管按照图4的顺序基于型架堆叠起来，在堆叠过程中使用液体胶进行粘接，粘接完成后即可获得如图5所示的复合材料波纹板-管负泊松比结构。
所述复合材料波纹板-管负泊松比结构其尺寸可根据需求进行制作；
所述复合材料波纹板-管负泊松比结构纤维增强层材料及厚度可根据需求进行铺设；
由本发明制备的基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构，在变形时会出现负泊松比特性。当结构承受冲击载荷时，包括点冲击和面冲击，可实现能量的吸收，从而达到减振吸能的效果，保护结构的安全。对比常见的负泊松比结构，复合材料波纹板-管负泊松比结构具有更优异的力学性能，且该结构更贴近生产实际情况。且相比常见的吸能结构，该结构也为更多负泊松比结构应用于生产生活中提供了思路。本发明制备简单，便于大批量生产。
以上内容仅为本发明的较佳实施案例，对于本工艺领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均可有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明限制。
本发明涉及一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构制备方法。热模压成型工艺作为一种高精度、高效率的复合材料成型工艺，在压力下排除纤维增强体中的气体，根据树脂的固化曲线，实现对预浸料的固化，从而形成具有一定树脂、纤维比例的增强结构。本发明使用热模压成型工艺，模具需要承受的压力可根据实际纤维厚度进行更改，模具制造后可循环使用。且成型后，表面亮度高，无需二次修饰，方便大批量生产。对比常见的复合材料负泊松比结构，波纹板-管结构具有更优异的力学性能，通过复合材料管的引入，极大程度的提升了结构的刚度。在较大应变范围内呈现出负泊松比特性，且该结构更贴近生产实际情况，一定程度解决了负泊松比结构刚度低的缺点。该复合材料波纹板-管负泊松比结构同时可进行各方面的改良设计，如通过改变复合材料波纹板和复合材料管的材料参数、纤维及其织物的厚度来改变复合材料波纹板-管负泊松比结构的力学性能，或通过对波纹板及管的形状进行改良，如正弦型/梯型板，方型/异型管等，从而提高复合材料波纹板-管负泊松比结构的减振、吸能及吸声特性，更好地完成实际工程任务。在大受力/大冲击载荷情况下，无填充的复合材料波纹板-管负泊松比结构往往不能很好地完成任务，该结构也为泡沫/橡胶夹芯复合材料波纹板-管负泊松比结构提供了设计基础。
Claims (10)
1.一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构，其特征在于：此种复合材料波纹板-管负泊松比结构具有优秀的减振、吸能及吸声能力；所述复合材料波纹板-管负泊松比结构具有优异的力学性能及负泊松比特性；所述结构由热模压成型工艺制得，相比于其他传统制备工艺，制得的产品精度更高，重复性更好，对于需要大批量生产的制品能够进行模具重复使用，极大程度降低成本，所述结构在承受冲击载荷时，可通过复合材料波纹板-管负泊松比结构的变形传递能量，且由于复合材料管结构的更为稳定，使得整个结构具有更加优异的力学性能，从而起到缓冲吸能的作用。
2.一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构制备方法，其特征在于：所述制备方法步骤如下：
(1)根据需求计算所需多胞结构尺寸，分别制作波纹板及管的模具；
(2)选取性能合适的纤维单向带/织物预浸料作为原料；
(3)在模具上涂抹脱模剂，并铺设剥离布；
(4)将纤维织物裁剪成合适尺寸，并铺设在下层模具上；
(5)使用热模压成型工艺进行成型固化，脱模后即为基于热模压成型工艺的复合材料波纹板和复合材料管。
(6)将复合材料波纹板和复合材料管根据设计需求裁剪成合适的尺寸，并按照设计型架进行拼搭及粘接，固化后即为基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构，其特征在于：所述结构为复合材料波纹板-管负泊松比结构，其尺寸可根据需求通过计算结构厚度、高度进行制造。
4.根据权利要求1所述的一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构，其特征在于：所述结构为波纹板-管结构，具有优异的力学性能及负泊松比特性，在较大应变范围内压缩后结构会出现横向收缩的现象。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构，其特征在于：所述结构为复合材料波纹板-管，其在承受冲击载荷时，具有更加优秀的吸能性能，从而起到缓冲减振的作用。
6.根据权利要求1所述的一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构，其特征在于：所述复合材料波纹板-管负泊松比结构由热模压成型工艺成型，模具由波纹板模具及复合材料卷管模具组成，便于大规模批量生产。
7.根据权利要求2所述的一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构制备方法，其特征在于：所述制备方法步骤(1)中的复合材料波纹板-管负泊松比结构由复合材料波纹板与复合材料管两部分组成，且复合材料波纹板与复合材料管的外径相切。
8.根据权利要求2所述的一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构制备方法，其特征在于：所述制备方法步骤(3)中剥离布的使用极大程度提高了复合材料波纹板与复合材料管的粘接性能。
9.根据权利要求2所述的一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构制备方法，其特征在于：所述制备方法步骤(4)中模具尺寸恰好等于纤维织物的尺寸且成型后的纤维板结构远大于所需复合材料波纹板尺寸，一次成型后通过雕刻可制的多块复合材料波纹板，极大程度提高生产效率。
10.根据权利要求2所述的一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构制备方法，其特征在于：所述制备方法步骤(6)中型架的设计可以使成品试件上下表面水平，且固定复合材料管在结构中的位置，从而使结构极大程度贴合设计方案。
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| CN115207544A (zh) * | 2022-07-20 | 2022-10-18 | 江苏科技大学 | 一种新能源汽车电池的减振防护装置 |
| CN115207544B (zh) * | 2022-07-20 | 2024-06-07 | 江苏科技大学 | 一种新能源汽车电池的减振防护装置 |
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