CN116408993A - 变刚度带孔复合材料产品的制备方式 - Google Patents
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Abstract
一种变刚度带孔复合材料产品的制备方式，先在不会出现纤维断裂的区域按照直线铺设预浸料，然后在孔附近的区域，即以孔的中心为原点，孔的直径为区域半径画圆得到的区域采用变刚度的方式铺设预浸料，再经升温加压后固化得到板材。本发明通过手工铺层的方式制备变刚度带孔复合材料产品，这种方法适用于热模压、热压罐等成型工艺，可以避免设备昂贵，程序设计复杂，孔边纤维断裂与孔边应力集中的问题。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种变刚度带孔复合材料产品的生产制造领域的技术，具体是一种变刚度带孔复合材料产品的制备方式。
背景技术
现有的复合材料机械连接一般会涉及到机械钻孔，这会导致孔边出现纤维断裂以及承载时产生应力集中等问题，容易使结构产生破坏。现有改进手段则通过变刚度的铺层方式，使得孔边的纤维保持连续，这种铺层方式需要使用自动铺丝机器，这种机器可以使得纤维在面内产生连续的角度变化，从而影响到复合材料产品的面内应力分布。但自动铺丝机器存在有设备昂贵，程序设计复杂等问题，且主要应用于航天航空领域。现有带孔复合材料一体成型技术通过多层铺设后模压成型，但这类技术在需要辅助工装配合的同时，依旧无法避免纤维的断裂。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种变刚度带孔复合材料产品的制备方式，通过手工铺层的方式制备变刚度带孔复合材料产品，这种方法适用于热模压、热压罐等成型工艺，可以避免设备昂贵，程序设计复杂，孔边纤维断裂与孔边应力集中的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种变刚度带孔复合材料产品的制备方式，先在不会出现纤维断裂的区域按照直线铺设预浸料，然后在孔附近的区域，即以孔的中心为原点，孔的直径为区域半径画圆得到的区域采用变刚度的方式铺设预浸料，再经升温加压后固化得到板材。
所述的不会出现纤维断裂的区域是指：原来采用机械钻孔的方式制孔后纤维未断裂的区域，即将纤维断裂的区域去掉后剩余的区域，这部分的区域可以直接将预浸料铺放在模具上。
所述的模具包括：长度方向上的两端带有限位块的上模以及宽度方向上的两侧带有限位条的下模，其中：下模上设有圆柱凸台，该圆柱凸台的位置与孔相重合，凸台的作用是为纤维的变刚度铺放提供一定的约束作用，有利于手工铺放。
所述的变刚度方式是指：利用两条碳纤维组成的长条在孔附近分别沿着不同的方向绕孔铺放，各自绕半圈之后再汇合，之后按照原有的轨迹完成铺放，优选绕圆柱凸台铺放。其中与直线纤维重叠的部分通过搭接的方式铺放，这样搭接的部分也可以在一定程度上起到增强层合板力学性能的目的。
技术效果
本方法的变刚度铺放区域很小，仅存在孔附近的区域，且曲线精度容易控制，可以通过手工铺层完成，不必使用自动铺丝的机器。其与现有常规技术手段相比具有显著改进的技术细节具体为：相比与机械钻孔的开孔方式，本方法利用纤维的变刚度铺放完全避免了孔边的纤维断裂。相比于其他采用主应力、二次函数、B样条曲线的变刚度铺放方式来说，孔附近的纤维是按照圆形铺放的，轨迹简单，可以比较容易的控制纤维走向，这就避免了程序设计复杂的问题，而且还可以不必使用专门的机器控制纤维的轨迹，通过手工铺层的方式就可完成变刚度带孔复合材料产品的制备，大幅降低了对设备的要求。
附图说明
图1为实施例几何模型示意图；
图2为实施例模具示意图
图3和图4为实施例纤维铺放示意图；
图5为实施例纤维走向对比图；
图6为拉伸测试曲线示意图；
图7为螺栓连接的拉伸测试曲线示意图；
图中：上模1、下模2、圆柱凸台3。
具体实施方式
本实施例涉及一种变刚度带孔复合材料产品的制备方式，采用碳纤维/环氧树脂预浸料制备如图1所示的几何结构，具体步骤包括：
裁料，依次裁出0°，45°，90°，-45°方向所需形状的预浸料。
②清理模具，用酒精把模具表面清理干净，并确保成型面没有毛刺，凹坑等缺陷。
③涂抹脱模剂，模具的每个成型表面都需要涂抹三至四次的脱模剂。
④铺层：将预浸料裁剪成一定尺寸的矩形，并铺放在模具上，铺放后的纤维轨迹效果如图3所示，中间空白部分的宽度等于中间孔的直径距离；中间空白的部分采用两条半径宽的预浸料长条进行铺放，具体为：先按照原有轨迹铺放，到孔附近时按照不同的方向绕孔铺放，即各自绕半圈后再汇合最后再按照直线铺放，直至模具边缘，最终效果如图4所示。上述铺层方式针对0°铺层，其余角度的铺放以此相似，只需在此基础上进行旋转即可，不再详细描述。
需要注意的是，这个铺放的过程比较容易出现纤维的断裂，当纤维出现断裂，则会对最终层合板的力学性能产生一定影响，所以需要尽量避免纤维的断裂。
如图4所示，这种铺层方式在孔附近虽然没有纤维的断裂，但会有一部分纤维的重叠。这部分重叠的区域对孔附近的厚度有一定影响，但由于重叠的面积比较小，所以最终对整体的厚度影响并不大，可以忽略。此外，这部分重叠区域对于层合板整体强度的提升也会有一定的积极影响。
按照前面讲述的方式进行铺层，本实施例一共12层，铺层角度为
[0°/45°/90°/-45°/0°/90°]s。在第一层预浸料铺放之前，需要对模具进行预热，这样有利于预浸料在模具表面的粘贴，方便接下来铺层的进行。
升温加压，铺层完成之后，将模具放到模压机上(模压机的温度需要到达成型温度)，之后加压，并使模具在成型压力下保温保压约45分钟。
固化，在固化温度下保温150min。
随炉冷却至室温，脱模(脱模时需要确保不能破坏层合板)，修剪飞边，同时记录相关的尺寸数据。
为了验证孔附近纤维的走向是否符合预期，本实施例针对孔边的纤维走向进行了微观观察，如图5所示。通过对比可明显看出，图5(a)和图5(b)的纤维排列方式明显不同，图5(b)的孔边纤维是绕孔按照圆形的轨迹进行排列的，这与预期的纤维轨迹设计是相符的，且没有纤维的断裂，说明该方法可以实现变刚度带孔层合板的手工铺层。除此之外，参考国家标准GB/T30968.3-2014，针对通过机械钻孔(OH-1组)与变刚度铺层(OH-2组)制备的带孔层合板进行了拉伸测试，测试曲线如图6所示。另外，还将上述两组带孔层合板分别与金属板配合进行了螺栓连接的拉伸测试，测试曲线如图7所示。
与现有技术相比，采用本发明的方法制备的带孔层合板的极限拉伸强度为485.59MPa，相比于机械钻孔制备的带孔层合板的377.22MPa的极限拉伸强度，提高了28.73％，如图6所示，同时孔边的最高应力也大幅下降，应力分布变得更加均匀。另外，螺栓连接的承载极限也从9.86kN提升到了11.13kN，如图7所示，另外螺栓连接的主要失效形式也从分层变成了压缩失效，这样就降低了结构突然发生灾难性破坏的概率。这说明本发明的制备方式对于带孔层合板的力学性能提升有很大的帮助。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (6)
1.一种变刚度带孔复合材料产品的制备方式，其特征在于，先在不会出现纤维断裂的区域按照直线铺设预浸料，然后在孔附近的区域，即以孔的中心为原点，孔的直径为区域半径画圆得到的区域采用变刚度的方式铺设预浸料，再经升温加压后固化得到板材。
2.根据权利要求1所述的变刚度带孔复合材料产品的制备方式，其特征是，所述的不会出现纤维断裂的区域是指：原来采用机械钻孔的方式制孔后纤维未断裂的区域，即将纤维断裂的区域去掉后剩余的区域，这部分的区域可以直接将预浸料铺放在模具上。
3.根据权利要求1所述的变刚度带孔复合材料产品的制备方式，其特征是，所述的模具包括：长度方向上的两端带有限位块的上模以及宽度方向上的两侧带有限位条的下模，其中：下模上设有圆柱凸台，该圆柱凸台的位置与孔相重合，凸台的作用是为纤维的变刚度铺放提供一定的约束作用，有利于手工铺放。
4.根据权利要求1所述的变刚度带孔复合材料产品的制备方式，其特征是，所述的变刚度方式是指：利用两条碳纤维组成的长条在孔附近分别沿着不同的方向绕孔铺放，各自绕半圈之后再汇合，之后按照原有的轨迹完成铺放，优选绕圆柱凸台铺放，其中与直线纤维重叠的部分通过搭接的方式铺放，这样搭接的部分也可以在一定程度上起到增强层合板力学性能的目的。
5.根据权利要求1～4中任一所述的变刚度带孔复合材料产品的制备方式，其特征是，具体包括：
裁料，依次裁出0°，45°，90°，-45°方向所需形状的预浸料；
②清理模具，用酒精把模具表面清理干净，并确保成型面没有毛刺，凹坑；
③涂抹脱模剂，模具的每个成型表面都需要涂抹三至四次的脱模剂；
④铺层：将预浸料裁剪成一定尺寸的矩形，并铺放在模具上，中间空白部分的宽度等于中间孔的直径距离；中间空白的部分采用两条半径宽的预浸料长条进行铺放，具体为：先按照原有轨迹铺放，到孔附近时按照不同的方向绕孔铺放，即各自绕半圈后再汇合最后再按照直线铺放，直至模具边缘；针对0°以外角度的铺放以此相似，只需在此基础上进行旋转对应角度后重复本步骤；一共铺12层，铺层角度为[0°/45°/90°/-45°/0°/90°]s；
升温加压，铺层完成之后，将模具放到模压机上，之后加压，并使模具在成型压力下保温保压约45分钟；
固化，在固化温度下保温150min；
随炉冷却至室温，脱模，修剪飞边，同时记录相关的尺寸数据。
6.根据权利要求5所述的变刚度带孔复合材料产品的制备方式，其特征是，在第一层预浸料铺放之前，需要对模具进行预热至成型温度。
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