CN114750483B - 一种负泊松比的复合材料道面板 - Google Patents

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本发明公开了一种负泊松比的复合材料道面板，其由多个单面板拼装而成，单面板包括具有负泊松比值的上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮、中层芳纶纤维增强复合材料层和下层玻璃纤维增强复合材料蒙皮，中层芳纶纤维增强复合材料层的两侧面分别与上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮和下层玻璃纤维增强复合材料蒙皮通过粘结剂粘接形成一个整体。本发明所提供的具有负泊松比值的复合材料道面板，通过上下两层玻璃纤维增强复合材料蒙皮将芳纶纤维增强复合材料层粘结在一起，多轴向的玻璃纤维增强复合材料蒙皮和芳纶纤维增强复合材料层通过编织而成，使得道面板在受到长度方向尺寸变化时，产生负泊松比效果，弥补热胀冷缩做成的拼接误差，提高道面板使用的可靠性。

Description

一种负泊松比的复合材料道面板
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，更具体地讲，本发明涉及一种负泊松 比的复合材料道面板。
背景技术
现役常规机场破坏后的快速修复技术和快速修建野战机场需要，快速 铺设复合材料道面板需求迫切，应用广泛。在复合材料道面板应用的过程 中存在冷热交替的过程，必然存在热胀冷缩现象，高温环境大面积使用时 容易造成道面板的局部拱起现象，低温环境大面积使用时材料收缩引起道 面板存在牵引应力现象，飞机降落时道面板受力产生应力释放，容易引起 接缝崩坏现象，从而影响飞机正常起降。
发明内容
为此，本发明为了避免复合材料道面板使用过程中的热胀冷缩现象， 提供了一种负泊松比的复合材料道面板，该复合材料道面板采用负泊松比 值的玻璃纤维增强复合材料蒙皮和芳纶增强复合材料，按比例和角度铺层 粘结后形成一个整体，所形成的复合材料道面板具有负泊松比，从而具有 极低的热膨胀系数。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种负泊松比的复合材料道面板，其由多个单面板拼装而成，每个所 述单面板包括具有负泊松比值的上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮、中层芳 纶纤维增强复合材料层和下层玻璃纤维增强复合材料蒙皮，所述中层芳纶 纤维增强复合材料层的两侧面分别与所述上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮 和下层玻璃纤维增强复合材料蒙皮通过粘结剂粘接形成一个整体。
优选的，所述上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮的负泊松比值为-0.1～- 0.2；所述中层芳纶纤维增强复合材料层的负泊松比值为-0.2～-0.3；所述 下层玻璃纤维增强复合材料蒙皮的负泊松比值为-0.1～-0.2。
所述上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮和下层玻璃纤维增强复合材料蒙 皮中包括多轴向玻璃纤维织物和嵌入所述多轴向玻璃纤维织物中的呈Z向 排列的短切纱，且所述多轴向玻璃纤维织物的编织角度在所述单面板沿长 度方向上呈对称设置，所述多轴向玻璃纤维织物与所述短切纱通过真空导 入树脂固化后形成一个网络编织整体。
进一步地，所述上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮和下层玻璃纤维维增 强复合材料蒙皮分别通过RTM工艺制备而成。
更进一步地，所述中层芳纶纤维增强复合材料层中的芳纶纤维织物的 编织方向为±30°或±60°，且为软质复合材料。
所述上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮和下层玻璃纤维增强复合材料蒙 皮中的玻璃纤维编织角度为0°、90°、±45°、±30°、±60°中的至少两 种或多种编织角度的组合。
所述中层芳纶纤维增强复合材料层的厚度占所述单面板总厚度的1 5％～35％。
所述中层芳纶纤维增强复合材料层的厚度为2mm～8mm，所述上层 玻璃纤维增强复合材料蒙皮和下层玻璃纤维增强复合材料蒙皮的厚度为3 mm～15mm；所述中层芳纶纤维增强复合材料层与所述上层玻璃纤维增 强复合材料蒙皮、下层玻璃纤维增强复合材料蒙皮之间通过环氧结构胶粘 剂粘接。
所述单面板的宽度方向上间隔设有多个面板折叠区，所述面板折叠区 处的所述中层芳纶纤维增强复合材料层呈间断设置。
所述面板折叠区处的所述中层芳纶纤维增强复合材料层的间断宽度为 25mm～30mm间隙。
本发明技术方案，具有如下有益效果：
A.本发明所提供的具有负泊松比值的复合材料道面板，通过上下两层 玻璃纤维增强复合材料蒙皮将芳纶纤维增强复合材料层粘结在一起，多轴 向的玻璃纤维增强复合材料蒙皮和芳纶纤维增强复合材料层通过编织而 成，使得道面板在受到长度方向尺寸变化时，产生负泊松比效果，弥补热 胀冷缩做成的拼接误差，提高道面板使用的可靠性。
B.本发明通过在上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮和下层玻璃纤维增强 复合材料蒙皮中设置呈对称的多个轴向编织角度的玻璃纤维，对应编织角 度的复合材料提供此编织方向上的结构强度，从而使得复合材料道面板的 结构强度达到准各向同性的效果，所形成的复合材料道面板为具有优异的 抗热胀冷缩现象的能力。
C.由于整个道面板上间隔设置了多个面板折叠区，可以很方便对多个 单面板进行折叠，更便于进行施工作业。
D.本发明所提供的具有负泊松比值的复合材料道面板，结构强度更 高，拉伸强度大于420MPa，弯曲强度大于550MPa；重量更轻，面密度 小于14kg/m2，线膨胀系数小于≤3.9×10-6/℃(0℃～50℃)。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明 的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的 前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的单面板截面结构示意图；
图2为本发明道面板在长度方向受力时的效果图；
图3为本发明所提供的可折叠单面板结构示意图；
图4为本发明所提供的六组单面板拼接后形成的道面板结构示意图；
图5为本发明所提供的两组单面板连接结构截面示意图。
附图标记说明：
1-单面板
11-上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮
12-中层芳纶纤维增强复合材料层
13-下层玻璃纤维增强复合材料蒙皮
2-面板折叠区；3-镶板；4-螺杆；5-螺母。
a-多轴向玻璃纤维织物，b-短切纱。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发 明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得 的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、 “左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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和简化描述， 而不是指示或暗示所指的系统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。此外，术语“第一”、 “第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要 性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术 语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也 可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接； 可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的 连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本 发明中的具体含义。
如图1和图4所示，本发明提供了一种负泊松比复合材料道面板，其 由多个单面板1拼装而成，每个单面板1包括具有负泊松比值的上层玻璃 纤维增强复合材料蒙皮11、中层芳纶纤维增强复合材料层12和下层玻璃 纤维增强复合材料蒙皮13，中层芳纶纤维增强复合材料层12的两侧面分 别与上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮11和下层玻璃纤维增强复合材料蒙 皮13通过粘结剂粘接形成一个整体，比如采用环氧树脂粘剂粘接固定。 这里的上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮11的负泊松比值为-0.1～-0.2，优 选为-0.2；中层芳纶纤维增强复合材料层12的负泊松比值为-0.2～-0.3， 优选为-0.3；下层玻璃纤维增强复合材料蒙皮13的负泊松比值为-0.1～-0. 2，优选为-0.2。本发明通过采用负泊松比值的增强复合材料制得单面板 1，如图5所示，单面板1通过中层芳纶增强复合材料层连接成道面板 组，芳纶增强复合材料为软质材料，跨九块单面板，形成两单面板1之间 预留一缝隙，每组道面板含有九块单面板，通过芳纶增强复合材料层折叠 成扇面包装。单面板1的纵向边缘位置设置有通孔，在两相邻组的道面板 板底部放置一镶板3，通过镶板3、螺杆4和螺母5将两组道面板连接在 一起。单面板1两端边沿位置设置通孔，通过膨胀螺栓固定于地上。在实 际使用过程中可以产生很好的负泊松比效果，弥补热胀冷缩做成的拼接误 差，提高道面板的可靠性。
图4中所示将六组道面板通过镶板、专用螺杆、螺母、膨胀螺栓等连 接件固定在一起，多组道面板拼装后形成更大面积的道面板。具体的拼接 数量，这里不再赘述。
如图2所示，组成单面板的上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮11和下层 玻璃纤维增强复合材料蒙皮13中包括多轴向玻璃纤维织物a和嵌入多轴向 玻璃纤维织物a中的呈Z向排列的短切纱b，且多轴向玻璃纤维织物a的 编织角度在单面板1长度方向上呈对称设置，多轴向玻璃纤维织物a与短 切纱b通过真空导入树脂粘合固定后形成一个整体。上层玻璃纤维增强复 合材料蒙皮11和下层玻璃纤维增强复合材料蒙皮13中的玻璃纤维编织角 度为0°、90°、±45°、±30°、±60°中的至少两种或多种编织角度的组 合；而中层芳纶纤维增强复合材料层12中的芳纶织物纤维的编织方向为 ±30°或±60°，且为软质复合材料。其中0°/90°提供横向和竖向的结构 强度，±45°提供+45°和-45°方向的结构强度，±30°提供+30°和-30°方向 的结构强度，±60°提供+60°和-60°方向的结构强度。设计的纤维多轴向编织，使得其在受到长度方向尺寸变化时，产生负泊松比效果，使得复合 材料道面板的结构强度达到准各向同性的效果。
本发明中的上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮11和下层玻璃纤维增强复 合材料蒙皮13可以通过RTM工艺制备而成。真空辅助RTM工艺制备上 下两部分蒙皮，采用环氧结构胶粘剂将芳纶纤维增强复合材料粘接于两块 蒙皮之间，并跨越九块单面板1，控制芳纶纤维的方向稳定在编织的角 度。如图3所示，在单面板的宽度方向上间隔设有多个面板折叠区2，面 板折叠区2处的中层芳纶纤维增强复合材料层12呈间断设置。其中的预 留间断宽度为25mm～30mm的间隙，用于单面板的折叠，图3中的带有 面板折叠区2的道面板组，折叠后形成一类似扇面结构。
其中，中层芳纶纤维增强复合材料层12的厚度占单面板1总厚度的1 5％～35％。进一步地，中层芳纶纤维增强复合材料层12的厚度为2mm～ 8mm，上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮11和下层玻璃纤维增强复合材料 蒙皮13的厚度为3mm～15mm；中层芳纶纤维增强复合材料层12与上层 玻璃纤维增强复合材料蒙皮11、下层玻璃纤维增强复合材料蒙皮13之间 通过环氧树脂胶粘剂粘接，折叠区2处的芳纶纤维增强复合材料层12避 免涂覆环氧树脂。
如图2所示，在复合材料道面板上设计的纤维多轴向编织，使得其在 受到长度方向尺寸变化时，产生负泊松比效果。具体的负泊松比是这样实 现的，当长度方向(即纵向)上受到一定的力F1和F2时，F1和F2所牵 引的纤维采用纵向拉伸，在侧面没有受到牵引力的纤维产生横向运动趋 势，因此在微观上即可产生横向的负泊松比现象，在宏观上即可产生横向 尺寸的增大，芳纶纤维产生横向膨胀位移，从而实现复合材料道面板的负 泊松比。
当将本发明所提供的复合材料的道面板应用到飞机跑道上时，局部受 热而产生的热胀冷缩会使道面板局部产生整体的向外挤压扩张，而受到挤 压的部分道面板则同样会产生各向同性形变，逐步消化掉所产生的挤压应 力，而不会产生周围局部拱起的问题。
本发明所提供的具有负泊松比值的复合材料道面板，结构强度更高， 拉伸强度大于420MPa，弯曲强度大于550MPa；由于采用增强复合材料 层，重量更轻，面密度小于14kg/m2，线膨胀系数小于≤3.9×10-6/℃(0℃～ 50℃)。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方 式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可 以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予 以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范 围之中。

Claims (6)

1.一种负泊松比的复合材料道面板，其由多个单面板（1）拼装而成，其特征在于，每个所述单面板（1）包括具有负泊松比值的上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮（11）、中层芳纶纤维增强复合材料层（12）和下层玻璃纤维增强复合材料蒙皮（13），所述中层芳纶纤维增强复合材料层（12）的两侧面分别与所述上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮（11）和下层玻璃纤维增强复合材料蒙皮（13）通过粘结剂粘接形成一个整体；
所述上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮（11）的负泊松比值为-0.1～-0.2；所述中层芳纶纤维增强复合材料层（12）的负泊松比值为-0.2～-0.3；所述下层玻璃纤维增强复合材料蒙皮（13）的负泊松比值为-0.1～-0.2；
所述上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮（11）和下层玻璃纤维增强复合材料蒙皮（13）中包括多轴向玻璃纤维织物（a）和嵌入所述多轴向玻璃纤维织物（a）中的呈Z向排列的短切纱（b），且所述多轴向玻璃纤维织物（a）的编织角度在所述单面板（1）沿长度方向上呈对称设置，所述多轴向玻璃纤维织物（a）与所述短切纱（b）通过真空导入树脂固化后形成一个网络编织整体；
所述中层芳纶纤维增强复合材料层（12）中的芳纶纤维织物的编织方向为±30º或±60°，且为软质复合材料；
所述上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮（11）和下层玻璃纤维增强复合材料蒙皮（13）中的玻璃纤维编织角度为0º、90º、±45º、±30º、±60º中的至少两种编织角度的组合。
2.根据权利要求1所述的负泊松比的复合材料道面板，其特征在于，所述上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮（11）和下层玻璃纤维维增强复合材料蒙皮（13）分别通过RTM工艺制备而成。
3.根据权利要求1或2所述的负泊松比的复合材料道面板，其特征在于，所述中层芳纶纤维增强复合材料层（12）的厚度占所述单面板（1）总厚度的15%～35%。
4.根据权利要求3所述的负泊松比的复合材料道面板，其特征在于，所述中层芳纶纤维增强复合材料层（12）的厚度为2mm～8mm，所述上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮（11）和下层玻璃纤维增强复合材料蒙皮（13）的厚度为3mm～15mm；所述中层芳纶纤维增强复合材料层（12）与所述上层玻璃纤维增强复合材料蒙皮（11）、下层玻璃纤维增强复合材料蒙皮（13）之间通过环氧结构胶粘剂粘接。
5.根据权利要求1所述的负泊松比的复合材料道面板，其特征在于，所述单面板的宽度方向上间隔设有多个面板折叠区（2），所述面板折叠区（2）处的所述中层芳纶纤维增强复合材料层（12）呈间断设置。
6.根据权利要求5所述的负泊松比的复合材料道面板，其特征在于，所述面板折叠区（2）处的所述中层芳纶纤维增强复合材料层（12）的间断宽度为25mm～30mm间隙。
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