CN114654761A - 波纹夹芯板的z拼制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种波纹夹芯板的Z拼制备方法，其预浸料包裹模具过程包括：步骤一、制备多个形状相同的子模具，子模具为条状的三棱柱结构；步骤二、每两个子模具为一组相拼接形成新的三棱柱结构作为拼接单元；步骤三、将各拼接单元依次拼接并栓接形成板体结构，拼接各拼接单元拼接前，在各拼接单元之间放置预先剪裁好的复合材料预浸料层；步骤四、将各复合材料预浸料层的上、下端压平使其平贴于相邻的拼接单元的子模具外露于所述板体结构表面的直角侧面上，从而形成波纹夹芯板的带模具Z拼预浸料包裹结构。本发明制备出的波纹夹芯板能够大大增强面板与波纹芯体的连接强度，进而提高整个波纹夹芯板的整体刚度和强度。

Description

波纹夹芯板的Z拼制备方法
技术领域
本发明涉及航天器材领域，特别是一种波纹夹芯板的Z拼制备方法。
背景技术
进入21世纪以来，气候变化、能源短缺和可持续发展等极具挑战性的世界性难题，对现代交通运输工具(汽车、动车、船舶和飞机等)和大型高端装备提出了高速和节能要求，实现节能减排、加快建设节约型社会已成为新世纪工程科技的重要发展方向。如何在现有材料和结构的基础上进一步减轻结构重量并获得更优良的综合力学性能，已成为材料、力学和机械工程等诸多领域科研工作者面临的共同挑战。
轻质夹层结构通常由上下两块薄的面板及中间的夹层构成，如图3所示。与传统实心金属材料相比，在同等抗弯力学性能条件下，金属夹层结构能节省30％～50％的结构质量，因此轻质夹层结构近十多年来在国内外得到迅速发展。由于波纹夹层结构的制造技术多样，容易实现工业化，较其他结构更具有应用优势，在航天航空、装甲防护、高速列车、舰船、深海潜水器、建筑及包装等领域均得到了广泛应用，对提高整体结构性能、降低重量以及改善隔热性能等方面发挥了重要作用。
现有技术中制造具有波纹夹芯层结构的复合板的步骤采用面板与芯材分开制备的方法，其中对于金属波纹夹芯的制备方法主要有挤压法、冲压法和滚压法；而对于全复合材料波纹夹芯的制备：方法一、使用模压法，首先设计并加工金属模具，将预浸碳纤维材料铺设到模具中，压紧后放入热压机进行固化成型，最后脱模得到波纹夹芯结构；方法二、采用包裹式的复合材料波纹夹芯结构，所用模具为多个粉末材料制成的易破坏的三棱柱(图4(a))，然后将环氧树脂基的碳纤维预浸料包裹在模具上并将模具排列成结构要求的形状(图4(b)和图4(c))，最后进行粘合及固化处理即可得到完整的波纹夹芯结构(图4(d))。
其次是面板与波纹夹芯的连接，主要的方法有胶接和焊接等，对于复合材料波纹夹芯板采用胶接的连接方法，波纹夹层结构的力学性能在很大程度上取决于面板和波纹芯体的连接质量。在连接部位如因应力集中或连接时出现缺陷，如开裂、脱落、局部未连接等现象，将导致整个结构的刚度、强度下降，从而对夹层板的力学性能和相应结构的安全性产生极大的影响，甚至造成灾难性事故。
对于上述传统的复合材料波纹夹芯板制备方法均有一些显著的缺陷，如对于方法一制备的复合材料波纹夹芯板，其芯材与面板的连接面积小，因此连接强度弱，在受到破坏是连接处首先发生破坏；其次对于方法二制备的复合材料波纹夹芯板，其连接面积增大，面板与芯材的连接强度增大，但由于其芯材为多个复合材料三棱柱粘接而成，因此在受到冲击时，复合材料三棱柱芯材容易分散成多个单独的三棱柱，承载能力下降。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种制备步骤简单高效的纤维增强复合材料波纹夹芯层板的Z拼制备方法，能够解决面板和波纹夹芯板芯材结合强度不高的缺陷，该方法制备出的波纹夹芯板能够大大增强面板与波纹芯体的连接强度，进而提高整个波纹夹芯板的整体刚度和强度。
本发明的技术方案是：波纹夹芯板的Z拼制备方法，包括依次进行的预浸料剪裁过程、预浸料包裹模具过程、真空袋成型工艺固化处理过程以及固化后脱模过程，所述预浸料包裹模具过程包括如下步骤：
步骤一、制备多个形状相同的子模具，所述子模具为条状的三棱柱结构，所述三棱柱结构的横截面为直角三角形；各所述子模具的两端均开设有螺栓通孔；
步骤二、每两个子模具为一组，以各组子模具的相同的直角侧面重合相拼形成新的三棱柱结构作为拼接单元，其中各组拼接单元的形状和尺寸均相同；
步骤三、将各拼接单元依次拼接，通过螺栓穿入螺栓通孔栓接形成上下表面均为平面的板体结构，其中在将各拼接单元拼接前，在各拼接单元之间放置预先剪裁好的复合材料预浸料层，其中各复合材料预浸料层上端和下端均露出所述板体结构，且露出的长度等于或大于外露于所述板体结构的上下表面上的子模具的直角侧面的宽度；
步骤四、将各复合材料预浸料层的上端压平并使其平贴于相邻的拼接单元的子模具外露于所述板体结构上表面的直角侧面上，将各复合材料预浸料层的下端压平并使其平贴于相邻的拼接单元的子模具外露于所述板体结构下表面的直角侧面上，则该复合材料预浸料层的横截面形成一Z字形，从而形成波纹夹芯板的带模具Z拼预浸料包裹结构。
上述步骤三中，通过螺栓穿入螺栓通孔后，再通过螺母螺纹连接螺栓，从而使得各拼接单元最终紧固栓接形成上下表面均为平面的板体结构。
上述步骤二中，各组子模具相拼所形成的拼接单元为正三棱柱。
在将各拼接单元拼接并通过螺栓栓接前，在最左侧以及最右侧还各拼接一子模具，使得最终被螺栓栓接所形成的板体结构的左右端面均为直角端面，其中在板体结构最左端拼接的子模具和与其相邻的拼接单元之间、以及在板体结构最右端拼接的子模具和与其相邻的拼接单元之间均放置有所述复合材料预浸料层，各复合材料预浸料层的上下端也均压平并平贴于相应的子模具外露于所述板体结构表面的直角侧面上。
上述各所述子模具在拼接前用脱模布包裹，以方便后续脱模过程。
该波纹夹芯板的Z拼制备方法的真空袋成型工艺固化处理过程采用纤维预浸料的真空袋成型工艺。
上述纤维预浸料的真空袋成型工艺包括如下步骤：
1)在所述波纹夹芯板的带模具Z拼预浸料包裹结构外依次再包裹脱模布、透气毡和真空袋，然后放置在烘箱中，并通过真空泵抽取真空以给模具施压一定的压强，并设定好固化温度曲线进行固化；
2)将固化好的Z拼波纹夹芯板从烘箱中取出，去掉外裹的脱模布、透气毡和真空袋，拆卸掉紧固的螺栓，并依次取出各子模具，完成波纹夹芯板的Z拼制备。
上述复合材料预浸料层的铺层顺序根据单层预浸料层的厚度以及总预浸料层的厚度，设计成对称均衡铺层。
本发明的有益效果：本发明提供了一种波纹夹芯板的Z拼制备方法，其纤维增强复合材料波纹夹芯板的面板与芯材为一体成型，制备流程简单，且面板与芯材直接结合不是传统的接触连接，而是面板与芯材为一体结合，相比与方法一制备的复合材料波纹夹芯板，其芯材与面板的连接面积小，因此连接强度弱，在受到破坏是连接处首先发生破坏，本方法可以从根本上解决连接的问题，采用面板与芯材一体式结构；其次相比于现有技术制备的复合材料波纹夹芯板，由于现有技术制备的芯材为多个复合材料三棱柱粘接而成，因此在受到冲击时，复合材料三棱柱芯材容易分散成多个单独的三棱柱，承载能力下降，而采用本方法时，预浸料层连接在复合材料波纹夹芯板的上下面，对中间的承载结构没有影响，因此可以提高其抗破坏强度。
附图说明
图1为本发明Z拼波纹夹芯板制备前的结构关系示意图；
其中：图1(a)为Z拼波纹夹芯板制备前的整体立体结构关系示意图；
图1(b)为Z拼波纹夹芯板制备前的截面结构关系示意图；
图2为本发明Z拼波纹夹芯板固化示意图；
图3为现有技术带上下面板的波纹夹芯层结构示意图；
图4为现有技术中包裹式碳纤维复合材料波纹夹芯结构制备过程。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1-图2，本发明实施例提供了波纹夹芯板的Z拼制备方法，包括依次进行的预浸料剪裁过程、预浸料包裹模具过程、真空袋成型工艺固化处理过程以及固化后脱模过程，所述预浸料包裹模具过程包括如下步骤：
步骤一、制备多个形状相同的子模具1，所述子模具1为条状的三棱柱结构，所述三棱柱结构的横截面为直角三角形；各所述子模具1的两端均开设有螺栓通孔1-1；
步骤二、每两个子模具1为一组，以各组子模具1的相同的直角侧面重合相拼形成新的三棱柱结构作为拼接单元，其中各组拼接单元的形状和尺寸均相同，详见图1(b)中的标号为A和B处的拼接时相邻的两个放置方向相反的拼接单元，其中该两个拼接单元均由两个子模具1拼接合成；具体地，各组子模具1相拼所形成的拼接单元为正三棱柱。
步骤三、将各拼接单元依次拼接，通过螺栓2穿入螺栓通孔1-1栓接形成上下表面均为平面的板体结构，其中在将各拼接单元拼接前，在各拼接单元之间放置预先剪裁好的复合材料预浸料层3，其中各复合材料预浸料层3上端和下端均露出所述板体结构，且露出的长度等于或大于外露于所述板体结构的上下表面上的子模具1的直角侧面的宽度；具体地，通过螺栓2穿入螺栓通孔1-1后，再通过螺母2-1螺纹连接螺栓2，从而使得各拼接单元最终紧固栓接形成上下表面均为平面的板体结构；
步骤四、将各复合材料预浸料层3的上端压平并使其平贴于相邻的拼接单元的子模具1外露于所述板体结构上表面的直角侧面上，将各复合材料预浸料层3的下端压平并使其平贴于相邻的拼接单元的子模具1外露于所述板体结构下表面的直角侧面上，则该复合材料预浸料层3的横截面形成一Z字形，从而形成波纹夹芯板的带模具Z拼预浸料包裹结构。
进一步地，在将各拼接单元拼接并通过螺栓2栓接前，在最左侧以及最右侧还各拼接一子模具1，使得最终被螺栓2栓接所形成的板体结构的左右端面均为直角端面，其中在板体结构最左端拼接的子模具1和与其相邻的拼接单元之间、以及在板体结构最右端拼接的子模具1和与其相邻的拼接单元之间均放置有所述复合材料预浸料层3，各复合材料预浸料层3的上下端也均压平并平贴于相应的子模具1外露于所述板体结构表面的直角侧面上。这样最终制备的波纹夹芯板的两个端面为垂直于板面的平面。
进一步地，各所述子模具1在拼接前用脱模布5包裹，以方便后续脱模过程。该波纹夹芯板的Z拼制备方法的真空袋成型工艺固化处理过程采用纤维预浸料的真空袋成型工艺。
进一步地，所述纤维预浸料的真空袋成型工艺包括如下步骤：
1)在所述波纹夹芯板的带模具Z拼预浸料包裹结构外依次再包裹脱模布5、透气毡4和真空袋6，然后放置在烘箱7中，并通过真空泵8抽取真空以给模具施压一定的压强，并设定好固化温度曲线进行固化；
2)将固化好的Z拼波纹夹芯板从烘箱中取出，去掉外裹的脱模布5、透气毡4和真空袋6，拆卸掉紧固的螺栓2，并依次取出各子模具1，完成波纹夹芯板的Z拼制备。
本发明方法不限于只制备上述三角形结构的复合材料波纹夹芯板，也可以用于制备梯形、帽形、正弦等复合材料波纹夹芯板。所述复合材料预浸料层的铺层顺序可以进行特殊设计，根据单层预浸料层的厚度以及总预浸料层的厚度，采用对称均衡铺层，如采用铺层[45/-45/0/0/90/0]s；同时该复合材料预浸料层可以选用环氧树脂基的碳纤维预浸料以及其他类型的预浸料。
综上，本发明提供的波纹夹芯板的Z拼制备方法，其纤维增强复合材料波纹夹芯板的面板与芯材为一体成型，制备流程简单，且面板与芯材直接结合不是传统的接触连接，而是面板与芯材为一体结合，相比与方法一制备的复合材料波纹夹芯板，其芯材与面板的连接面积小，因此连接强度弱，在受到破坏是连接处首先发生破坏，本方法可以从根本上解决连接的问题，采用面板与芯材一体式结构；其次相比于现有技术制备的复合材料波纹夹芯板，由于现有技术制备的芯材为多个复合材料三棱柱粘接而成，因此在受到冲击时，复合材料三棱柱芯材容易分散成多个单独的三棱柱，承载能力下降，而采用本方法时，预浸料层连接在复合材料波纹夹芯板的上下面，对中间的承载结构没有影响，因此可以提高其抗破坏强度。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (8)

1.波纹夹芯板的Z拼制备方法，包括依次进行的预浸料剪裁过程、预浸料包裹模具过程、真空袋成型工艺固化处理过程以及固化后脱模过程，其特征在于，所述预浸料包裹模具过程包括如下步骤：
步骤一、制备多个形状相同的子模具(1)，所述子模具(1)为条状的三棱柱结构，所述三棱柱结构的横截面为直角三角形；各所述子模具(1)的两端均开设有螺栓通孔(1-1)；
步骤二、每两个子模具(1)为一组，以各组子模具(1)的相同的直角侧面重合相拼形成新的三棱柱结构作为拼接单元，其中各组拼接单元的形状和尺寸均相同；
步骤三、将各拼接单元依次拼接，通过螺栓(2)穿入螺栓通孔(1-1)栓接形成上下表面均为平面的板体结构，其中在将各拼接单元拼接前，在各拼接单元之间放置预先剪裁好的复合材料预浸料层(3)，其中各复合材料预浸料层(3)上端和下端均露出所述板体结构，且露出的长度等于或大于外露于所述板体结构的上下表面上的子模具(1)的直角侧面的宽度；
步骤四、将各复合材料预浸料层(3)的上端压平并使其平贴于相邻的拼接单元的子模具(1)外露于所述板体结构上表面的直角侧面上，将各复合材料预浸料层(3)的下端压平并使其平贴于相邻的拼接单元的子模具(1)外露于所述板体结构下表面的直角侧面上，则该复合材料预浸料层(3)的横截面形成一Z字形，从而形成波纹夹芯板的带模具Z拼预浸料包裹结构。
2.如权利要求1所述的波纹夹芯板的Z拼制备方法，其特征在于，步骤三中，通过螺栓(2)穿入螺栓通孔(1-1)后，再通过螺母(2-1)螺纹连接螺栓(2)，从而使得各拼接单元最终紧固栓接形成上下表面均为平面的板体结构。
3.如权利要求1所述的波纹夹芯板的Z拼制备方法，其特征在于，步骤二中，各组子模具(1)相拼所形成的拼接单元为正三棱柱。
4.如权利要求1所述的波纹夹芯板的Z拼制备方法，其特征在于，在将各拼接单元拼接并通过螺栓(2)栓接前，在最左侧以及最右侧还各拼接一子模具(1)，使得最终被螺栓(2)栓接所形成的板体结构的左右端面均为直角端面，其中在板体结构最左端拼接的子模具(1)和与其相邻的拼接单元之间、以及在板体结构最右端拼接的子模具(1)和与其相邻的拼接单元之间均放置有所述复合材料预浸料层(3)，各复合材料预浸料层(3)的上下端也均压平并平贴于相应的子模具(1)外露于所述板体结构表面的直角侧面上。
5.如权利要求4所述的波纹夹芯板的Z拼制备方法，其特征在于，各所述子模具(1)在拼接前用脱模布(5)包裹，以方便后续脱模过程。
6.如权利要求5所述的波纹夹芯板的Z拼制备方法，其特征在于，该波纹夹芯板的Z拼制备方法的真空袋成型工艺固化处理过程采用纤维预浸料的真空袋成型工艺。
7.如权利要求6所述的波纹夹芯板的Z拼制备方法，其特征在于，所述纤维预浸料的真空袋成型工艺包括如下步骤：
1)在所述波纹夹芯板的带模具Z拼预浸料包裹结构外依次再包裹脱模布(5)、透气毡(4)和真空袋(6)，然后放置在烘箱(7)中，并通过真空泵(8)抽取真空以给模具施压一定的压强，并设定好固化温度曲线进行固化；
2)将固化好的Z拼波纹夹芯板从烘箱中取出，去掉外裹的脱模布(5)、透气毡(4)和真空袋(6)，拆卸掉紧固的螺栓(2)，并依次取出各子模具(1)，完成波纹夹芯板的Z拼制备。
8.如权利要求1所述的波纹夹芯板的Z拼制备方法，其特征在于，所述复合材料预浸料层(3)的铺层顺序根据单层预浸料层的厚度以及总预浸料层的厚度，设计成对称均衡铺层。
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