CN115742486A - 网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件及制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件及制备工艺，包括：优化试验件的相关参数，根据优化后的参数制备网格面板坯件；采用整张胶膜瞬时加热与热空气反向施加方法，使下凹的胶膜向上鼓胀、破裂并收缩聚集在蜂窝芯格壁端面，形成表面形态均匀的网格化胶膜；将网格面板上面板、网格面板下面板与处理完的蜂窝芯装配成一体，真空条件下加温加压固化，制得网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件。本发明工艺，省去繁琐的测试前的阶梯表贴玻璃纤维布等局部强化、均载处理，简化了测试流程，提高了型号研制生产效率，弯曲试验件弯曲测试失效部位均一稳定，测试数据离散小，测试结果符合设计及使用指标要求。

Description

网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件及制备工艺

技术领域

本发明属于网格面板复合材料制造技术领域，特别涉及一种网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件及制备工艺。

背景技术

卫星各平台刚性太阳翼基板通常采用超低密度铝蜂窝芯与两层高模量碳纤维正交网格面板胶接组成。超低密度铝蜂窝芯一般选用美国Hexcel公司生产的规格为CRIII-3/8-5056-.0007P-1.0(或者Plascore公司生产的PAMG-XR1-1.0-3/8-0.0007P-5056)的弱刚度铝蜂窝芯，该型铝蜂窝芯采用厚度仅为18um的超薄5056铝箔制备，芯格尺寸(芯格内切圆直径)达到9.52mm，体密度16kg/m³，是目前世界上商品化供应最轻的铝蜂窝芯之一。太阳翼基板在服役过程中主要承受弯曲载荷，通过评价缩比件性能能够一定程度上反映全尺寸基板的整体性能。为评估正交网格太阳翼基板的胶接及力学性能，通常随产品制备网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件进行三点弯曲刚度和四点弯曲强度测试，根据测试结果评价全尺寸太阳翼基板的综合性能。

目前的太阳翼基板网格夹层结构弯曲试验件通常采用两件单层碳纤维网格面板(网格间距为a×b，网格间距与太阳翼基板产品的网格参数一致)与外形尺寸为L600mm×W55mm的铝蜂窝芯形成夹层结构，然后进行弯曲测试。实际执行过程中发现，该方法存在以下缺点和不足：

(1)为了降低测试加载压头对铝蜂窝芯局部应力的集中，需对加载区域网格面板通过阶梯表贴玻璃纤维布等局部强化、均载处理措施，避免试验件局部应力集中而导致非正常提前失效，该处理措施操作麻烦且增加试验件研制周期。

(2)尽管对加载区域网格面板进行局部强化、均载处理，但由于缩比件宽度55mm方向上仅能容纳5个完整的蜂窝芯格，测试边缘效应显著，表现为测试结果失效部位一致性差、测试数据波动大等不足。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件及制备工艺，克服现有太阳翼基板存在的测试前需进行复杂的阶梯表贴等局部强化处理，且测试结果失效部位一致性差、数据波动大等问题。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件的制备工艺，包括如下步骤：

根据全尺寸太阳翼基板设计参数确定网格面板铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件外形尺寸、网格面板网格间距参数和丝束宽度参数；

根据确定的网格间距参数和丝束宽度参数，采用浸渍或涂覆树脂的纤维在缠绕机上实施正交缠绕；将缠绕后的网格面板从缠绕机上取下，经树脂固化形成网格面板坯件；

取整张胶膜，然后将其平整铺贴在蜂窝芯的上表面；胶膜网格化施胶过程中，对蜂窝芯端面的完整胶膜进行瞬时加热，受热后的胶膜变软粘度变低并在重力的作用下下凹时，沿着蜂窝格孔轴向反向施加热空气，使下凹的胶膜向上鼓胀、破裂并收缩聚集在蜂窝芯格壁端面，形成表面形态均匀的网格化胶膜；将蜂窝芯翻转，采用相同方式执行第二面蜂窝芯网格化施胶；

将网格面板上面板、网格面板下面板与处理完的蜂窝芯装配成一体，装配时需保证网格面板L向纤维丝束与蜂窝芯L向对齐，同时网格面板上面板、网格面板下面板L向纤维丝束分别与蜂窝芯直接贴合，形成稳定对称的网格面板夹层结构板；

将网格面板夹层结构板真空条件下加温加压固化，制得网格面板铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件。

第二方面，一种网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件，通过第一方面所述的一种网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件的制备工艺制得。

根据本发明提供的一种网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件及制备工艺，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的一种网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件及制备工艺，网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件外形尺寸设计为L(1000mm±5mm)×W(100mm±2mm)，W向尺寸宽度能够容纳至少10个完整的蜂窝芯格，与此同时，W向也能够容纳更多数量的L向碳纤维网格丝束数量，可以有效降低试验件中网格面板丝束和铝蜂窝芯测试过程的边缘效应，提升测试数据的真实性和可靠性；

(2)本发明提供的一种网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件及制备工艺，将网格面板沿着L向丝束的纤维束直接与蜂窝芯胶接结合，降低网格面板正交各向异性对缩比件弯曲性能的影响；

(3)本发明提供的一种网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件及制备工艺，将一张厚度较薄的完整胶膜平整铺贴在蜂窝芯端面，对蜂窝芯端面完整胶膜进行瞬时加热使胶膜瞬时软化并下凹，同时沿蜂窝格孔轴向反向施加热空气辅助胶膜加热，使胶膜鼓胀、破裂、收缩并均匀聚集在蜂窝芯格侧壁端面，形成表面形态均匀一致的网格化树脂胶瘤，通过以上处理可以有效提高胶膜实际胶接用量，尽最大可能利用蜂窝与网格的胶接面积，提高结构承载效率，同时可以省去繁琐的网格面板夹层板弯曲试验件测试前的阶梯表贴玻璃纤维布等局部强化、均载处理，简化测试流程，提高型号研制生产节拍效率。

附图说明

图1为网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件结构示意图

图2为网格化施胶完成后的低密度铝蜂窝

1-网格面板(1-1网格面板上面板、1-2网格面板下面板)，2-蜂窝芯，3-胶膜(3-A初始状态的胶膜、3-B网格化的胶膜)。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明提供了一种网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件的制备工艺，网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件主要包括网格面板(1)、低密度蜂窝芯(2)和胶膜(3)，制备工艺包括如下步骤：

一、网格面板铺层设计：根据全尺寸太阳翼基板设计参数确定网格面板网格间距参数a，b和丝束宽度参数s。其中网格面板(1)通常包含网格面板上面板(1-1)和网格面板下面板(1-2)，均为双层正交碳纤维网格面板(网格间距为a×b；a≤6mm，b≤6mm)，由一层L向(长度方向)离散纤维丝束(丝束间距为a)和一层W向(宽度方向)离散纤维丝束(丝束间距为b)缠绕、定型、调整、固化后形成网格面板。网格面板上面板(1-1)和网格面板下面板(1-2)在低密度蜂窝芯(2)两侧铺层相反，以使两层网格面板和蜂窝芯复合形成的夹层结构为稳定的对称夹层结构。

网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件外形尺寸设计为L(1000mm±5mm)×W(100mm±2mm)，W向尺寸能够容纳至少10个完整的蜂窝芯格，与此同时，W向也能够容纳更多数量的L向碳纤维网格丝束数量(L向碳纤维网格丝束数量为(100±2)/b，b≤6mm)，可以有效降低试验件中网格面板丝束和铝蜂窝芯测试过程的边缘效应，提升测试数据的真实性和可靠性。

低密度铝蜂窝芯选用Hexcel公司生产的规格为CRIII-3/8-5056-.0007P-1.0或者Plascore公司生产的PAMG-XR1-1.0-3/8-0.0007P-5056的铝蜂窝芯，该型铝蜂窝芯采用厚度仅为18μm的超薄5056铝箔制备，芯格尺寸(芯格内切圆直径)达到9.52mm，体密度16kg/m³，或者国产低密度系列蜂窝芯，蜂窝芯的侧壁厚度为18～20μm，芯格尺寸(芯格内切圆直径)达到9.0～9.8mm，体密度为16～17.6kg/m³。

二、网格面板缠绕和铺层：根据确定的网格间距参数和丝束宽度参数，设计缠绕机缠绕程序参数，采用浸渍或涂覆的碳纤维开始L向纤维缠绕，纤维丝束间距为a；L向纤维缠绕完成后，调整缠绕机程序参数，开始W向纤维缠绕，纤维丝束间距为b。

三、网格面板铺层调整和固化：缠绕后的网格面板从缠绕机取下，转移至平台，通过镊子、压板等工具将转移过程中可能引起的纤维移位、集束的纤维调整至理论位置，封装，抽真空，根据相应的树脂固化制度完成纤维上树脂的固化，形成网格面板坯件。

四、蜂窝芯网格化施胶：将蜂窝芯(2)端面铺贴胶膜(3)置于网格化施胶工作台面，根据网格化施胶工艺参数进行网格化施胶。胶膜(3)一般为一层厚度为0.1mm～0.2mm的完整胶膜，胶膜为Redux320UL或J-312L热破用胶膜，使用时将其从冷藏库中取出，取下胶膜两面的隔离纸，呈现出(3-A)表面光滑完整厚度均匀的整张胶膜材料，然后将其平整铺贴在蜂窝芯(2)的上表面。胶膜网格化施胶过程中，对蜂窝芯端面的完整胶膜进行瞬时加热，受热后的胶膜变软粘度变低并在重力的作用下下凹，此时沿着蜂窝格孔轴向反向施加热空气(热空气温度为82～88℃)，此时下凹的胶膜再一次向上鼓胀、破裂并收缩聚集在蜂窝芯格壁端面，形成表面形态均匀的网格化胶膜(3-B)，此时网格化施胶完成，完成后的蜂窝芯状态如图2所示。完成一面单面蜂窝芯网格化施胶完成后，将蜂窝芯及其夹持工件翻转，执行第二面蜂窝芯网格化施胶。

由于铝蜂窝芯端面面积远小于网格面板面积，对蜂窝芯端面进行网格化施胶处理，将一张厚度较薄的完整胶膜平整铺贴在蜂窝芯端面，对蜂窝芯端面完整胶膜进行瞬时加热使胶膜瞬时软化并下凹，同时沿蜂窝格孔轴向反向施加热空气辅助胶膜加热，使胶膜鼓胀、破裂、收缩并均匀聚集在蜂窝芯格侧壁端面，形成表面形态均匀一致的网格化树脂胶瘤。通过以上处理可以有效提高胶膜实际胶接用量，尽最大可能利用蜂窝与网格的胶接面积，提高结构承载效率，同时可以省去繁琐的网格面板夹层板弯曲试验件测试前的阶梯表贴玻璃纤维布等局部强化、均载处理，简化测试流程，提高型号研制生产节拍效率。

五、弯曲试验件复合装配：将步骤三处理完成后的网格面板上面板(1-1)、网格面板下面板(1-2)与步骤四处理完的蜂窝芯(2)装配成一体，装配时需保证网格面板L向纤维丝束与蜂窝芯L向对齐，同时网格面板上面板、网格面板下面板L向纤维丝束分别与蜂窝芯直接贴合，形成稳定对称的网格面板夹层结构板。

单层网格面板为正交网格面板，一般情况下，为提高网格面板蜂窝芯夹层板刚度承载性能，通常将长丝(L向丝束)位于面板外侧(即远离蜂窝芯一侧)，本发明考虑到碳纤维网格面板为非连续、正交网格面板，由一层横向离散纤维丝束与一层纵向离散纤维丝束胶接固化而成，载荷从面板向铝蜂窝芯的传力路径较复杂，因此将网格面板沿着1000±5mm方向(L向丝束)的纤维束直接与蜂窝芯胶接结合，降低网格面板正交各向异性对缩比件弯曲性能的影响。相比于W向丝束直接与蜂窝芯胶接结合，L向直接与蜂窝芯接触可以将高性能低密度弱刚度蜂窝芯弯曲应力沿着蜂窝芯L方向传递至网格面板，传力路径直接高效，网格面板分担载荷更均匀，结构一致性好。

六、弯曲试验件固化处理：将步骤五处理的网格面板夹层结构板真空袋封装，抽真空加温加压固化，固化完成后待真空袋系统恢复至室温后进行脱模、修整、机加，即完成网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件的制备。

本发明一种网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件的制备工艺，解决了现有太阳翼基板网格面板夹层结构弯曲试验件研制工艺存在的测试结果失效部位一致性差、数据波动大等问题，省去繁琐的测试前的阶梯表贴玻璃纤维布等局部强化、均载处理，简化了测试流程，提高了型号研制生产效率，使用该一种网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件制备工艺制备的弯曲试验件弯曲测试失效部位均一稳定，测试数据离散小，测试结果符合设计及使用指标要求。

实施例

实施例1

一种网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件的制备工艺，网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件主要包括网格面板(1)、低密度蜂窝芯(2)和胶膜(3)，制备工艺包括如下步骤：

一、网格面板铺层设计：根据全尺寸太阳翼基板设计参数确定网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件外形尺寸、网格面板网格间距参数a，b和丝束宽度参数s。其中网格面板上面板(1-1)和网格面板下面板(1-2)的网格间距为a×b，a＝6mm，b＝4mm，a为L向纤维丝束间距，b为W向纤维丝束间距。

网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件外形尺寸设计为L(1000mm)×W(100mm)。丝束宽度参数s为2mm。

低密度铝蜂窝芯选用Hexcel公司生产的规格为CRIII-3/8-5056-.0007P-1.0的铝蜂窝芯，该铝蜂窝芯采用厚度仅为18μm的超薄5056铝箔制备，芯格尺寸(芯格内切圆直径)达到9.52mm，高度24mm，体密度16kg/m³。

二、网格面板缠绕和铺层：根据确定的网格间距参数，设计缠绕机缠绕程序参数，先后采用浸渍或涂覆环氧树脂的碳纤维进行L向和W向纤维缠绕。

三、网格面板铺层调整和固化：缠绕后的网格面板从缠绕机取下，转移至平台，通过镊子、压板等工具将转移过程中可能引起的纤维移位、集束的纤维调整至理论位置，封装，抽真空，在温度165±2℃、压力0.1MPa下完成纤维上树脂的固化，形成网格面板坯件。

四、蜂窝芯网格化施胶：将蜂窝芯(2)端面铺贴胶膜(3)置于网格化施胶工作台面，根据网格化施胶工艺参数进行网格化施胶。胶膜(3)为0.1mm～0.2mm厚的完整胶膜(材质Redux320UL)，使用时将其从冷藏库中取出，取下胶膜两面的隔离纸，呈现出(3-A)表面光滑完整厚度均匀的整张胶膜材料，然后将其平整铺贴在蜂窝芯(2)的上表面。胶膜网格化施胶过程中，对蜂窝芯端面的完整胶膜进行瞬时加热，受热后的胶膜变软粘度变低并在重力的作用下下凹，此时沿着蜂窝格孔轴向反向施加82～88℃热空气，使下凹的胶膜向上鼓胀、破裂并收缩聚集在蜂窝芯格壁端面，形成表面形态均匀的网格化胶膜(3-B)，完成后的蜂窝芯状态如图2所示。完成一面单面蜂窝芯网格化施胶完成后，将蜂窝芯及其夹持工件翻转，执行第二面蜂窝芯网格化施胶。

五、弯曲试验件复合装配：将步骤三处理完成后的网格面板上面板(1-1)、网格面板下面板(1-2)与步骤四处理完的蜂窝芯(2)装配成一体，装配时保证网格面板L向纤维丝束与蜂窝芯L向对齐，同时网格面板上面板、网格面板下面板L向纤维丝束分别与蜂窝芯直接贴合，形成稳定对称的网格面板夹层结构板。

六、弯曲试验件固化处理：将步骤五处理的网格面板夹层结构板真空袋封装，抽真空加温加压固化，固化完成后待真空袋系统恢复至室温后进行脱模、修整、机加，即完成网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件的制备。

试验件三点弯曲刚度和四点弯曲强度测试时，测试失效部位全部(100％)发生在加载区域的内部，即全部为有效失效破坏，测试载荷离散系数约1.2％。

对比例

对比例1

该对比例1与实施例1一致，区别仅在于，将处理完成后的网格面板上面板(1-1)、网格面板下面板(1-2)与处理完的蜂窝芯(2)装配成一体，装配时网格面板上面板、网格面板下面板W向纤维丝束分别与蜂窝芯直接贴合，形成对称的网格面板夹层结构板。

试验件三点弯曲刚度和四点弯曲强度测试时，测试失效部位易发生在加载点，即容易因应力集中导致非正常提前失效，非正常失效占比约25％。测试载荷离散系数约11.6％。

对比例2

该对比例2与实施例1一致，区别仅在于，网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件外形尺寸设计为L600mm×W55mm。

试验件三点弯曲刚度和四点弯曲强度测试时，非正常失效部位占比约40％，测试载荷离散系数约18.6％。采用表贴玻璃布测试法，非正常失效部位占比约5％，测试载荷离散系数约4.3％。

对比例3

该对比例3与实施例1一致，区别仅在于，网格化施胶时，采用传统方式施胶过程为手工施胶，需频繁多次溶化胶膜，涂刷胶膜，烘干胶膜，增加挥发分含量，且不能达到减重效果。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

根据全尺寸太阳翼基板设计参数确定网格面板铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件外形尺寸、网格面板网格间距参数和丝束宽度参数；

根据确定的网格间距参数和丝束宽度参数，采用浸渍或涂覆树脂的纤维在缠绕机上实施正交缠绕；将缠绕后的网格面板从缠绕机上取下，经树脂固化形成网格面板坯件；

取整张胶膜，然后将其平整铺贴在蜂窝芯的上表面；胶膜网格化施胶过程中，对蜂窝芯端面的完整胶膜进行瞬时加热，受热后的胶膜变软粘度变低并在重力的作用下下凹时，沿着蜂窝格孔轴向反向施加热空气，使下凹的胶膜向上鼓胀、破裂并收缩聚集在蜂窝芯格壁端面，形成表面形态均匀的网格化胶膜；将蜂窝芯翻转，采用相同方式执行第二面蜂窝芯网格化施胶；

将网格面板上面板、网格面板下面板与处理完的蜂窝芯装配成一体，装配时保证网格面板L向纤维丝束与蜂窝芯L向对齐，同时网格面板上面板、网格面板下面板L向纤维丝束分别与蜂窝芯直接贴合，形成稳定对称的网格面板夹层结构板；

将网格面板夹层结构板真空条件下加温加压固化，制得网格面板铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件。

2.根据权利要求1所述的网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件的制备工艺，其特征在于，所述网格面板铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件外形尺寸设计为L向1000mm±5mm，W向100mm±2mm。

3.根据权利要求1所述的网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件的制备工艺，其特征在于，所述网格面板包含网格面板上面板和网格面板下面板，均为双层正交碳纤维网格面板，网格间距与太阳翼基板产品的网格参数一致。

4.根据权利要求3所述的网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件的制备工艺，其特征在于，所述网格面板的L向纤维丝束间距a≤6mm，W向纤维丝束间距b≤6mm。

5.根据权利要求1所述的网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件的制备工艺，其特征在于，所述根据确定的网格间距参数，采用浸渍或涂覆树脂的纤维在缠绕机上实施正交缠绕的步骤中，先采用浸渍或涂覆的碳纤维开始L向纤维缠绕，L向纤维缠绕完成后，调整缠绕机程序参数，再实施W向纤维缠绕。

6.根据权利要求1所述的网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件的制备工艺，其特征在于，所述将缠绕后的网格面板从缠绕机上取下的步骤后，还包括纤维铺层的调整，将转移过程中引起的纤维移位、集束的纤维调整至理论位置。

7.根据权利要求1所述的网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件的制备工艺，其特征在于，所述取表面光滑完整厚度均匀的整张胶膜，然后将其平整铺贴在蜂窝芯的上表面的步骤中，所述胶膜为厚度0.1mm～0.2mm的完整胶膜，优选胶膜为Redux320UL或J-312L热破用胶膜。

8.根据权利要求1所述的网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件的制备工艺，其特征在于，所述取表面光滑完整厚度均匀的整张胶膜材料，然后将其平整铺贴在蜂窝芯的上表面的步骤中，所述蜂窝芯的侧壁厚度为18-20μm，芯格内切圆直径为9.0～9.8mm，体密度为16～17.6kg/m³。

9.根据权利要求1所述的网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件的制备工艺，其特征在于，所述沿着蜂窝格孔轴向反向施加热空气的步骤中，热空气温度为82～88℃。

10.一种网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件，其特征在于，通过权利要求1至9之一所述的一种网格面板低密度铝蜂窝芯夹层结构弯曲试验件的制备工艺制得。

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