CN117775268A - 一种兼具高弹性和高刚性的复合板材、机翼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种兼具高弹性和高刚性的复合板材、机翼。所述复合板材具有相对设置的第一端和第二端；由所述第一端至所述第二端，所述复合板材包括依次连接且一体成型的第一区、第二区和第三区；所述第一区、第二区和第三区均由相同的纤维增强树脂材料固化工艺制成，并且第一区的板厚度＞第二区的板厚度＞第三区的板厚度；所述复合板材用于连接飞行器机翼的固定翼和活动翼，并且所述第一区固定连接在所述固定翼上，所述第三区自由搭接在所述活动翼的表面。本发明可实现复合板材的变刚度特性和高弹变形特性的统一。

Description

一种兼具高弹性和高刚性的复合板材、机翼

技术领域

本申请涉及材料领域，具体涉及一种兼具高弹性和高刚性的复合板材、机翼。

背景技术

树脂基复合材料因其比强度比模量高、结构设计性好，易于实现结构功能一体化整体成型等优点已经在航空航天领域得到了广泛应用。随着新一代隐身飞机的发展，飞机翼面间的缝隙成为影响飞机气动和电磁连续性能的不利因素，因此需要通过覆盖封严结构，以提高飞机整体隐身性能。

封严结构通常一端固定于固定翼面，另一端搭接于活动翼面，为一端固定的悬臂梁模式。因此，须有一定的刚度，一方面保证连接强度，另一方面在飞行过程中经受气动吸力作用时不发生拍打作用。同时，也需要有较高的弹性变形，满足随活动翼面偏转过程中不发生折断破坏。因此根据封严结构的性能要求，开发一种兼具高弹性变形和高刚性的封严结构至关重要。

为此，提出本发明。

发明内容

本发明的主要目的是一种兼具高弹性和高刚性的复合板材、机翼，通过分区差异化设计解决了高弹性变形和高刚性不易兼顾的问题。

为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案。

本发明的第一方面提供了一种兼具高弹性和高刚性的复合板材，所述复合板材具有相对设置的第一端和第二端；由所述第一端至所述第二端，所述复合板材包括依次连接且一体成型的第一区、第二区和第三区；

所述第一区、第二区和第三区均由相同的纤维增强树脂材料固化工艺制成，并且第一区的板厚度＞第二区的板厚度＞第三区的板厚度；

所述复合板材用于连接飞行器机翼的固定翼和活动翼，并且所述第一区固定连接在所述固定翼上，所述第三区自由搭接在所述活动翼的表面。

由此，本发明使复合板材的各个区域都采用相同的纤维增强树脂材料一体成型，从而具有很强的刚性，同时不同区域的厚度进行差异化设计，尤其使第一区作为固定端较厚，因而具有保持高刚性优势，同时第三区作为自由端较薄，因而保持高弹性优势，减少偏转引起的折断风险，第二区作为过渡区，厚度居中，能够兼顾刚性和弹性。总之，以上分区域差异化结构的复合板材用于连接机翼活动翼和固定翼时，兼具高弹性变形和高刚性，封严结构更稳定，寿命更长。

进一步的，所述第一区的板厚度、第二区的板厚度、第三区的板厚度的比例为10:(5～10):(2～5)。

采用该厚度设计能够更适应机翼的复杂工况，弹性和刚性更高。

优选地，在所述复合板材的垂直于所述板厚度的表面上，所述第一区至所述第二区连续平滑过渡。

连续平滑过渡可以使复合板材为厚度连续递减(由第一区至第三区)的结构，表面为光滑的曲面，摩擦系数低，同时力学性能更好。

优选地，所述第一区的板宽度、第二区的板宽度、第三区的板宽度的比例为(15～30):(5～130):(5～40)。

此处的宽度是指由第一端指向第二端的方向。宽度采用以上设计，可以使复合板材的弯折角度更适配机翼的活动翼和固定翼之间的缝隙。

进一步的，所述第一区上设有连接件；所述连接件优选为通孔。

进一步的，所述第二区在相对于所述第一区的以下偏转角度范围内不与所述第一区断裂开：-45°～75°。

第二区作为过渡区，承担较大的形变力，将其耐断裂角度控制在-45°～75°范围时，可以满足机翼的普适应工况。

进一步的，所述复合板材为第一区为平直区、第二区和第三区朝同一侧弯曲的曲面板；

所述复合板材的第二区的曲率半径在(30mm～+∞)范围内，第三区的曲率半径在(30mm～5000mm)。

材料的刚性和弹性除了与材料的化学组成相关外，与其物理尺寸也紧密相关，将复合板材各区的曲率半径控制在以上范围内，具有特定的流线型，可以满足机翼的空气动力学工况。

进一步的，所述纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维或碳化硅纤维中的一种或几种，增强织物的结构形式为纤维短切形式、长纤维单向带、长纤维织物(包含但不限于平纹布、斜纹布、缎纹布和3D立体编织纤维织物等)中的至少一种。

所述树脂为热塑性树脂或热固性树脂；其中，所述热塑性树脂优选为聚醚酮、聚醚醚酮、聚砜、聚醚砜、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯醚或聚酰胺中的一种或几种混合树脂；所述热固性树脂优选为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、聚苯并噁嗪树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂或不饱和聚酯树脂中的一种或几种混合树脂。

进一步的，所述纤维与所述树脂的质量比在(70:30)～(50：50)之间。这样的材料组成将具有更强的弹性和更高的刚性。

进一步的，所述复合板材包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面之间的距离为所述板厚度；所述第一表面依次涂覆有底漆、面漆及功能涂层，所述功能涂层包括导电层、吸波层、红外灯涂层中的一种或几种，所述第二表面中依次覆盖有底漆、面漆及耐磨涂层。

增加功能涂层和耐磨涂层可以延长机翼寿命，或者提高导电性等。

进一步的，所述固化工艺包括热压罐法、模压法、真空袋法、热膨胀软模法、树脂传递模塑工艺、真空灌注工艺或树脂熔膜渗透工艺。

本发明的第二方面提供了一种机翼，其包括固定翼、活动翼和第一方面提供的复合板材，所述复合板材的第一区固定连接在所述固定翼上，所述第三区自由搭接在所述活动翼的表面。

综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：

本发明通过不同区域差异化设计(包括厚度、曲率半径、宽度等)，可实现复合板材的变刚度特性和高弹变形特性的统一，这样一方面提高复合材料封严结构的安装可靠性和抗气动载荷能力，另一方面满足了活动翼面的变形需要，避免封严结构折断风险，因此对于提高新一代隐身飞机的气动及电磁连续性有重要意义。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

通过阅读对下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明提供的复合板材的结构示意图；

图2为本发明提供的复合板材用于封严机翼时的组装结构示意图；

图3为本发明提供的复合板材制备方法中预浸料的堆叠示意图；

图4为本发明提供的另一复合板材的结构示意图。

附图标记：

101-复合板材，102-第一区，103-第二区，104-第三区，105-固定翼面，106-活动翼面，401-连接区，402-弹性变形区，403-自由接触区。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

如图1所示，一种兼具高弹性高刚性的复合板材101由第一区102、第二区103和第三区104依次连接构成，三个区域为一体成型。使用时采用单悬臂梁模式，以连接机翼以面为例，如图2所示，第一区102与飞机主翼等固定翼面105连接，即作为连接区；第三区104搭接于活动翼面106，即作为自由接触区。当活动翼面偏转一定角度时，第三区104在活动翼面上滑动，第二区103作为弹性变形区，发生变形(如图2左侧为未偏转时的连接状态，右侧为发生偏转后的连接状态)。该复合板材可以使用纤维增强树脂基体经固化工艺制备。

在以上复合板材中，所述复合板材包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面之间的距离为所述板厚度。

在一些实施方式中，所述第一表面可以依次涂覆有底漆、面漆及功能涂层，所述功能涂层包括导电层、吸波层、红外灯涂层中的一种或几种，所述第二表面上可以依次覆盖有底漆、面漆及耐磨涂层。

其中，封严结构固定连接区可采用单排或多排铆钉连接于固定翼面，或者螺孔螺母的连接方式

其中，机翼的偏转角度通常为-45°～+70°，为适配该工况，第二区在相对于所述第一区的以下偏转角度范围内不与所述第一区断裂开：-45°～70°。

其中，纤维可以为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维或碳化硅纤维中的一种或几种，增强织物的结构形式为纤维短切形式、长纤维单向带、长纤维织物(包含平纹布、斜纹布、缎纹布和3D立体编织纤维织物)。

其中，树脂可以为热塑性树脂或热固性树脂，其中：热塑性树脂为聚醚酮、聚醚醚酮、聚砜、聚醚砜、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯醚或聚酰胺中的一种或几种混合树脂；热固性树脂为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、聚苯并噁嗪树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂或不饱和聚酯树脂中的一种或几种混合树脂。

在一些实施方式中，所述纤维与所述树脂的质量比在(70:30)～(50：50)之间。

其中，固化工艺可以包括热压罐法、模压法、真空袋法、热膨胀软模法、树脂传递模塑工艺、真空灌注工艺或树脂熔膜渗透工艺。

复合板材的整体形成可以为矩形、梯形、弧形及异形曲面结构等，其上下主表面为连续的平滑表面，即由第一区向第三区的方向，复合板材厚度渐变，优选为连续递减(换言之，在所述复合板材的垂直于所述板厚度的表面上，所述第一区至所述第二区连续平滑过渡)，这样复合板材的表面将为圆滑表面，摩擦系数小。

在一些实施方式中，第一区的板厚度、第二区的板厚度、第三区的板厚度的比例为10:(5～10):(2～5)。

在一些实施方式中，所述第一区的板宽度、第二区的板宽度、第三区的板宽度的比例为(15～30):(5～130):(5～40)，宽度指第一端指第二端的方向。该宽度通常是该区域沿在第一表面，两端之间最短的弧线长度。

在一些实施方式中，所述复合板材为第一区为平直区、第二区和第三区朝同一侧弯曲的曲面板；所述复合板材的第二区的曲率半径在(30mm～+∞)范围内，第三区的曲率半径在(30mm～5000mm)。

以上复合板材可以用于飞行器的不同部位，不同部位包括飞机副翼、襟翼、垂尾、整流罩、尾梁等。

实施例1：

制备一种兼具高弹性高刚性的复合板材，形状为矩形，长度为170mm±5mm，宽度为80mm±5mm，第一区厚度为2.0mm±0.2mm，第三区厚度为1.0mm±0.2mm，。

原材料采用T700碳纤维/环氧树脂平纹布预浸料，单层厚度0.2mm，预浸料铺层尺寸为170mm×80mm料片5层，170mm×70mm料片1层，170mm×60mm料片1层，170mm×40mm料片1层，170mm×30mm料片2层，共10层，上述料片铺贴成预浸料叠层坯料，采用热压罐法工艺制备成兼具高弹性高刚性的复合材料封严结构。由于各层预浸料长短不易，如图3的方式堆叠后，左侧厚度必然大于右侧厚度，且由左至右，厚度递减，左侧即作为复合板材的第一区，右侧作为第三区，中间为第二区。

实施例2：

制备一种兼具高弹性高刚性的复合板材，形状为异形弧面结构，如图4所示，长度为600mm±5mm，宽度为150mm±5mm，固定连接端厚度为2.8mm±0.2mm，自由端厚度为1.5mm±0.2mm。

原材料采用1mm长、T800短切碳纤维为增强材料，热塑性聚醚醚酮为树脂体系。根据异形弧面封严结构制造模压模具，将短切碳纤维/聚醚醚酮混合粒料充入模压模腔，采用热压工艺制备成兼具高弹性高刚性的复合材料封严结构。如图4所示，包括连接区401、弹性变形区402和自由接触区403。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种兼具高弹性和高刚性的复合板材，其特征在于，所述复合板材具有相对设置的第一端和第二端；由所述第一端至所述第二端，所述复合板材包括依次连接且一体成型的第一区、第二区和第三区；

所述第一区、第二区和第三区均由相同的纤维增强树脂材料固化工艺制成，并且第一区的板厚度＞第二区的板厚度＞第三区的板厚度；

所述复合板材用于连接飞行器机翼的固定翼和活动翼，并且所述第一区固定连接在所述固定翼上，所述第三区自由搭接在所述活动翼的表面。

2.如权利要求1所述的复合板材，其特征在于，所述第一区的板厚度、第二区的板厚度、第三区的板厚度的比例为10:(5～10):(2～5)；

优选地，在所述复合板材的垂直于所述板厚度的表面上，所述第一区至所述第二区连续平滑过渡；

优选地，所述第一区的板宽度、第二区的板宽度、第三区的板宽度的比例为(15～30):(5～130):(5～40)。

3.如权利要求1或2所述的复合板材，其特征在于，所述第一区上设有连接件；所述连接件优选为通孔。

4.如权利要求1或2所述的复合板材，其特征在于，所述第二区在相对于所述第一区的以下偏转角度范围内不与所述第一区断裂开：-45°～75°。

5.如权利要求1或2所述的复合板材，其特征在于，所述复合板材为第一区为平直区、第二区和第三区朝同一侧弯曲的曲面板；

所述复合板材的第二区的曲率半径在(30mm～+∞)范围内，第三区的曲率半径在(30mm～5000mm)。

6.如权利要求1或2所述的复合板材，其特征在于，所述纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维或碳化硅纤维中的一种或几种；

所述树脂为热塑性树脂或热固性树脂；其中，所述热塑性树脂优选为聚醚酮、聚醚醚酮、聚砜、聚醚砜、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯醚或聚酰胺中的一种或几种混合树脂；所述热固性树脂优选为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、聚苯并噁嗪树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂或不饱和聚酯树脂中的一种或几种混合树脂。

7.如权利要求6所述的复合板材，其特征在于，所述纤维与所述树脂的质量比在(70:30)～(50：50)之间。

8.如权利要求1或2所述的复合板材，其特征在于，所述复合板材包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面之间的距离为所述板厚度；所述第一表面依次涂覆有底漆、面漆及功能涂层，所述功能涂层包括导电层、吸波层、红外灯涂层中的一种或几种，所述第二表面中依次覆盖有底漆、面漆及耐磨涂层。

9.如权利要求1所述的复合板材，其特征在于，所述固化工艺包括热压罐法、模压法、真空袋法、热膨胀软模法、树脂传递模塑工艺、真空灌注工艺或树脂熔膜渗透工艺。

10.一种机翼，其特征在于，包括固定翼、活动翼和权利要求1-9任一项所述的复合板材，所述复合板材的第一区固定连接在所述固定翼上，所述第三区自由搭接在所述活动翼的表面。