CN114211775A - 一种基于热模压成型工艺的复合材料叠层折纸负泊松比结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于热模压成型工艺的复合材料叠层折纸负泊松比结构及其制备方法，所述结构为复合材料叠层折纸负泊松比结构，可根据需求设计结构厚度、高度进行制造，所述结构为折纸堆叠结构，在小变形情况下压缩后结构会出现全方向收缩的现象，所述复合材料叠层折纸负泊松比结构由热模压成型工艺成型，模具由带有不同角度参数的折纸板模具组成，本发明提出一种基于热模压成型工艺的复合材料叠层折纸负泊松比结构，不同于传统金属拉胀结构，本发明中的复合材料叠层折纸负泊松比结构由热模压成型工艺制备，其角度组合，材料参数等具有较大的可设计性，此种结构可增大拉胀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。
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叠层折纸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由各向同性材料制得的拉胀结构承载效果差的缺点，兼顾承载、变形及吸能，设计了一种基于热模压成型工艺的复合材料叠层折纸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叠层折纸负泊松比结构，主体为一个带有多种角度组合的复合材料折纸板堆叠结构。基于热模压成型工艺的复合材料叠层折纸负泊松比结构主要采用树脂基纤维增强预浸料材料，利用折纸的可展开特性，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量繁琐，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叠层折纸负泊松比结构在承受冲击载荷时，可通过折纸板的变形传递能量，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，在压力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叠层折纸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叠层折纸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，分别制作带有不同角度参数的模具；
(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)将上模具条预热并逐条压入下模具中；
(6)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折纸板。
(7)将带有不同角度参数的复合材料折纸板根据设计需求裁剪成合适的尺寸，并对其进行拼搭及粘接，待胶膜固化后即为基于热模压成型工艺的复合材料叠层折纸负泊松比结构。
本发明制备方法还有一些特征：
所述模具由带有不同角度的折纸板上下模具，且制得的复合材料折纸板粘接处尺寸保持一致；
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折纸板尺寸，一次成型后通过雕刻可制的多块复合材料折纸板，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带有不同角度参数的复合材料折纸板之间的粘接性能。
本发明的有益效果在于：
该结构为复合材料叠层折纸负泊松比结构，在工程实际中，对比由各向同性材料制得的拉胀结构，复合材料叠层折纸负泊松比结构具有更优异的力学性能，且该复合材料叠层折纸负泊松比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。在小变形阶段，复合材料叠层折纸负泊松比结构具有全方向负泊松比特性，结构在面内或面外受到压缩载荷后，其余方向均呈现出向内收缩的趋势，从而增加结构刚度。同时，在大受力/大冲击载荷情况下，无填充复合材料叠层折纸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叠层折纸负泊松比结构提供了设计基础。且相比由各向同性材料制得的拉胀结构，该结构也为复合材料拉胀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叠层折纸负泊松比结构，不同于传统金属拉胀结构，本发明中的复合材料叠层折纸负泊松比结构由热模压成型工艺制备，其角度组合，材料参数等具有较大的可设计性，此种结构可增大拉胀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叠层折纸负泊松比结构单胞芯子示意图；其中可设计的参数包括V，S，l，lh，折纸板的角度参数ψA及ψB，折纸板的厚度tA和tB，以及堆叠后的层数n。其中参数lh决定了结构的粘接面积，ζ决定了结构沿z轴的沿伸长度，当要对结构进行堆叠时，需要保证带有不同角度参数ψA及ψB的折纸板具有相同的ζ。图中给出的复合材料叠层折纸负泊松比结构单胞芯子以V，S，l，lh，ψA，ψB，tA，tB，ζ和n为变量，可以通过改变这些参数决定复合材料叠层折纸负泊松比结构的大小、厚度等；
图2为本发明的折纸板模具示意图；其中折纸板模具分为上下两部分，且上模具被切割为多个模具条，从而方便将预浸料压成需要的形状，在制件的同时提供一定程度的压力，促进树脂析出，提高复合材料折纸板的纤维含量，图中给出的模具与图1中提及的参数相关，可根据需要制作带有不同参数的折纸板模具；
图3为本发明的复合材料折纸板示意图；可以通过改变模具尺寸从而改变折纸单胞个数，让复合材料折纸板足够大，便于制备多胞结构；
图4为带有不同参数ψ的折纸板按照需求切割后的拼装示意图；在lh上添加胶膜使结构便于粘接。拼装后结构二次固化过程中在其上方添加账务，使胶粘接更紧密。
图5为本发明的完整装配图。
具体实施方式
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，复合材料叠层折纸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中给出的复合材料叠层折纸负泊松比结构单胞芯子示意图是以V，S，l，lh，ψA，ψB，tA，tB，ζ和n为变量，设计出带有不同角度参数ψ的复合材料折纸板，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叠层折纸负泊松比结构。
因此一种基于热模压成型工艺的复合材料叠层折纸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折纸板的尺寸，确定复合材料叠层折纸负泊松比结构单胞个数及相对密度；
(2)按照所需单胞尺寸，设计上下模具，并在加工前对其进行脱模剂保养处理，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折纸板进行固化，并加工为所需尺寸；
(5)将固化后的复合材料折纸板按照图4的顺序堆叠起来，在堆叠过程中使用胶膜进行粘接，粘接完成后即可获得如图5所示的复合材料叠层折纸负泊松比结构。
所述复合材料叠层折纸负泊松比结构其尺寸可根据需求进行制作；
所述复合材料叠层折纸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叠层折纸负泊松比结构，在变形时会出现全向负泊松比特性。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。对比常见的拉胀结构，复合材料叠层折纸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，该结构也为更多拉胀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。
此种复合材料叠层折纸负泊松比结构具有优秀的减振、吸能及吸声能力；所述复合材料叠层折纸负泊松比结构具有优异的力学性能及全向负泊松比特性；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结构，可通过模具重复使用，极大程度降低成本，所述结构在承受冲击载荷时，可通过复合材料叠层折纸负泊松比结构的逐层变形传递能量，且由于复合材料折纸板的可设计参数较多，使得整个结构具有更优异的可设计性，从而适用于更多防护结构。
本发明涉及一种基于热模压成型工艺的复合材料叠层折纸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，实现对纤维预浸料的固化，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拉胀结构，复合材料叠层折纸负泊松比结构具有更优异的力学性能和吸能性能，通过使用不同角度参数的复合材料折纸结构堆叠，为复合材料折纸堆叠结构提供了较多的可选择余地。在面内小变形情况下呈现出全方向的负泊松比特性，且该结构更贴近生产实际情况，一定程度解决了拉胀结构刚度低的缺点。该复合材料叠层折纸负泊松比结构同时可进行各方面的改良设计，可以通过改变复合材料折纸板的材料参数、纤维及其织物的厚度来改变复合材料叠层折纸负泊松比结构的力学性能，从而提高复合材料叠层折纸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，无填充的复合材料叠层折纸负泊松比结构往往不能很好地完成任务，该结构也为泡沫/橡胶夹芯复合材料叠层折纸负泊松比结构提供了设计基础。且相比内凹蜂窝结构，该结构也为更多拉胀结构应用于生产生活中提供了思路。
Claims (10)
1.一种基于热模压成型工艺的复合材料叠层折纸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，分别制作带有不同角度的折纸板的模具；
(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)将上模具条预热并逐条压入下模具中；
(6)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折纸板。
(7)将带有不同角度参数的复合材料折纸板根据设计需求裁剪成合适的尺寸，并进行拼搭及粘接，二次固化后即为基于热模压成型工艺的复合材料叠层折纸负泊松比结构。
2.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叠层折纸负泊松比结构制备方法，其特征在于：所述制备方法步骤(1)中的带有不同角度参数的复合材料叠层折纸负泊松比结构由带有不同角度参数的复合材料折纸板组成，且复合材料折纸板之间紧密配合。
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叠层折纸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带有不同角度参数的复合材料折纸板之间的粘接性能。
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叠层折纸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得多块复合材料波纹板，极大程度提高生产效率。
5.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叠层折纸负泊松比结构制备方法，其特征在于：所述制备方法步骤(6)中复合材料折纸板的角度组合及使用材料可根据需求进行调整，从而应对多种使用情况。
6.一种基于热模压成型工艺的复合材料叠层折纸负泊松比结构，其特征在于：由权利要求1-5任意一项的方法制备而成，此种复合材料叠层折纸负泊松比结构具有优秀的减振、吸能及吸声能力；所述结构由热模压成型工艺制得。
7.根据权利要求6所述的一种基于热模压成型工艺的复合材料叠层折纸负泊松比结构，其特征在于：所述结构为复合材料叠层折纸负泊松比结构，可根据需求设计结构厚度、高度进行制造。
8.根据权利要求6所述的一种基于热模压成型工艺的复合材料叠层折纸负泊松比结构，其特征在于：所述结构为折纸堆叠结构，在小变形情况下压缩后结构会出现全方向收缩的现象。
9.根据权利要求6所述的一种基于热模压成型工艺的复合材料叠层折纸负泊松比结构，其特征在于：所述结构为复合材料叠层折纸负泊松比结构，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。
10.根据权利要求6所述的一种基于热模压成型工艺的复合材料叠层折纸负泊松比结构，其特征在于：所述复合材料叠层折纸负泊松比结构由热模压成型工艺成型，模具由带有不同角度参数的折纸板模具组成，便于大规模批量生产，且上模具被分为多个小条，通过对预浸料逐条施加压力方便制备出符合设计要求的模具。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| LI MA: "Modal characteristics and damping enhancement of carbon fiber composite auxetic double-arrow corrugated sandwich panels", COMPOSITE SCTRUCTURES, vol. 2018, no. 203, pages 539 - 550 * |
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