一種優(yōu)化復(fù)合材料層合板性能的網(wǎng)格鋪層結(jié)構(gòu)及制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及復(fù)合材料層合板構(gòu)件性能增強技術(shù)，具體為一種優(yōu)化復(fù)合材料層合板構(gòu)件性能的網(wǎng)格鋪層結(jié)構(gòu)及制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料為代表的先進復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強、高模量、耐疲勞、抗腐蝕、結(jié)構(gòu)功能一體化和設(shè)計制造一體化、易于成型大型構(gòu)件等突出優(yōu)點，已在航空、航天等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。但碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料層合板構(gòu)件整體性能較弱，在一定程度上限制了其應(yīng)用。
[0003]為增強層合板整體結(jié)構(gòu)性能，已有的研究中將碳纖維預(yù)浸料按照各層纖維方向的不同進行鋪放，研究結(jié)果表明正交鋪放的層合板二維方向性能較好。由于纖維增強復(fù)合材料的層間強度低，對于層合板三維方向有不同的增強方式，如縫合技術(shù)、三維編織、Z-pin增強技術(shù)等，這些增強技術(shù)都能夠較為顯著地提高層合板層間強度，但是這些增強方式在增強三維方向強度的同時會對纖維造成一定的損傷或存在無法克服的缺點。在縫合過程中針頭的來回擺動必然會損傷纖維的連續(xù)性，使得層合板的面內(nèi)性能包括剛度強度等均有所下降。三維編織難以精確控制機器的尺寸以及含膠量，三維編織的力學(xué)性能也易受到邊界條件的影響。Z-pin增強會導(dǎo)致部分碳纖維斷開并且在pin周圍會形成一定的樹脂眼狀區(qū)域，進而一定程度的降低層合板的面內(nèi)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)目的是針對現(xiàn)有復(fù)合材料層合板整體性能較弱的問題，設(shè)計了一種對復(fù)合材料層合板性能有增強作用的2.5維網(wǎng)格鋪層結(jié)構(gòu)及制作方法。
[0005]為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
一種優(yōu)化復(fù)合材料層合板性能的網(wǎng)格鋪層結(jié)構(gòu)，其特征在于，由多條正交垂直的預(yù)浸料縱向條帶和預(yù)浸料橫向條帶穿插構(gòu)成，所述鋪層結(jié)構(gòu)的長度為矩形條帶帶寬的2m-l倍，所述鋪層結(jié)構(gòu)的寬度為矩形條帶帶寬的2n-l倍，m，η為自然數(shù)。
[0006]所述預(yù)浸料優(yōu)選采用碳纖維增強樹脂基預(yù)浸料。
[0007]—種優(yōu)化復(fù)合材料層合板性能的網(wǎng)格鋪層結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于，包括以下步驟:
1)設(shè)定目標鋪層結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)目標鋪層結(jié)構(gòu)尺寸用分切機將預(yù)浸料原材料分切成一定寬度的矩形條帶并卷裝，目標鋪層結(jié)構(gòu)的長度為矩形條帶帶寬的2m_l倍，目標層合板的寬度為矩形條帶帶寬的2n-l倍，m，η為自然數(shù)；
2)按照目標鋪層結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計鋪帶機的鋪放軌跡，所述鋪放軌跡包括橫鋪和縱鋪；
3)將卷裝好的條帶卷安裝在鋪帶機上，控制鋪帶機按照設(shè)定起始位置在臺板上縱鋪一條條帶，形成第一條縱向條帶，之后，在第一條縱向條帶的中間位置橫鋪一條條帶，形成第一條橫向條帶，進入步驟4)； 4)自橫向條帶端部至第一條縱向條帶左、右兩側(cè)邊的中間位置各縱鋪一條條帶，之后，自縱向條帶端部至第一條橫向條帶前、后兩側(cè)邊的中間位置各橫鋪一條條帶，進入步驟5);
5)在上述步驟形成的相鄰縱向條帶之間或橫向條帶端部到最外側(cè)縱向條帶外側(cè)邊中間的位置均縱鋪一條條帶，之后，在相鄰橫向條帶之間或縱向條帶端部到最外側(cè)橫向條帶外側(cè)邊中間的位置均橫鋪一條條帶；
6)重復(fù)步驟5)直至相鄰縱向條帶之間、相鄰橫向條帶之間、橫向條帶端部到最外側(cè)縱向條帶之間、縱向條帶端部到最外側(cè)橫向條帶之間無空白間隙，即形成所述目標鋪層結(jié)構(gòu)；
上述步驟中，縱向條帶的長度相等，橫向條帶的長度相等。
[0008]所述預(yù)浸料優(yōu)選采用碳纖維增強樹脂基預(yù)浸料。
[0009]一種優(yōu)化復(fù)合材料層合板性能的網(wǎng)格鋪層結(jié)構(gòu)，其特征在于，其結(jié)構(gòu)基于如上所述制作方法制成。
[0010]本發(fā)明方案中，所述“縱”、“橫” “前”、“后”、“左”、“右”僅為相對參照，并非對絕對方位的限定，會隨著參照物的選取而變化。
[0011]本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明一種優(yōu)化復(fù)合材料層合板性能的網(wǎng)格鋪層結(jié)構(gòu)巧妙地利用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可設(shè)計性這一特點，采用新的鋪疊方式進行合理的鋪層設(shè)計，設(shè)計出一種近似三維編織的結(jié)構(gòu)，固化成型后，在采用同種預(yù)浸料的前提下，與現(xiàn)有鋪層結(jié)構(gòu)相比能夠較明顯地提高其拉伸強度、抗彎強度、剪切強度等，而采用該編織方式得到的層合板相對于常規(guī)層合板，其拉伸、彎曲、層間剪切性能均有一定程度的提高，這對復(fù)合材料三維增強技術(shù)的發(fā)展有極大的促進意乂。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明制作方法的流程示意圖；
圖2為本發(fā)明網(wǎng)格鋪層結(jié)構(gòu)交織位置的局部剖面示意圖。
【具體實施方式】
[0013]為了闡明本發(fā)明的技術(shù)方案及技術(shù)目的，下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步的介紹。
[0014]如圖1所示，一種優(yōu)化復(fù)合材料層合板性能的網(wǎng)格鋪層結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于，包括以下步驟:
1)設(shè)定目標鋪層結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)目標鋪層結(jié)構(gòu)尺寸用分切機將大塊的碳纖維增強樹脂基預(yù)浸料原材料分切成一定寬度的矩形條帶并卷裝，目標鋪層結(jié)構(gòu)的長度為矩形條帶帶寬的2m-l倍，目標層合板的寬度為矩形條帶帶寬的2n-l倍，m，η為非O自然數(shù)，m，η可以相等也可以不等，即目標鋪層結(jié)構(gòu)尺寸長、寬可以不相等；
2)按照目標鋪層結(jié)構(gòu)的尺寸規(guī)劃鋪帶機的鋪放軌跡，將控制軌跡的編程代碼輸入電腦，控制鋪帶機運行，所述鋪放軌跡包括橫鋪和縱鋪，鋪帶機通過送紗、切紗和止紗完成每個鋪放動作，每個鋪放動作的始端和末端由目標鋪層結(jié)構(gòu)的長、寬決定；
3)將卷裝好的條帶卷安裝在鋪帶機上，控制鋪帶機按照設(shè)定起始位置在預(yù)先刷膠的臺板上縱鋪一條條帶，形成第一條縱向條帶，在第一條縱向條帶的1/2中間位置橫鋪一條條帶，形成第一條橫向條帶，進入步驟4);
4)自橫向條帶端部至第一條縱向條帶左、右兩側(cè)邊(即圖1左上角鋪層結(jié)構(gòu)中第一條縱向條帶左、右兩側(cè)的空白處)的中間位置各縱鋪一條條帶，共兩條；自縱向條帶端部至第一條橫向條帶前、后兩側(cè)邊(即圖1左上角鋪層結(jié)構(gòu)中第一條橫向條帶前、后兩側(cè)的空白處)的中間位置各橫鋪一條條帶，共兩條，進入步驟5);
5)在上述步驟中已鋪的三個縱向條帶形成的四段縱向空白處取中間位置各縱鋪一條條帶，之后在對應(yīng)地橫鋪四條條帶，以此類推，繼續(xù)在相鄰縱向條帶之間或橫向條帶端部到最外側(cè)縱向條帶外側(cè)邊中間的位置均縱鋪一條條帶，在相鄰橫向條帶之間或縱向條帶端部到最外側(cè)橫向條帶外側(cè)邊中間的位置均橫鋪一條條帶；
6)重復(fù)步驟5)直至相鄰縱向條帶之間、相鄰橫向條帶之間、橫向條帶端部到最外側(cè)縱向條帶之間、縱向條帶端部到最外側(cè)橫向條帶之間無空白間隙，即形成目標鋪層結(jié)構(gòu)，完成了兩層預(yù)浸料的鋪放；
上述步驟中，縱向條帶的長度相等，橫向條帶的長度相等。
[0015]采用如上所述制作方法制成的最終網(wǎng)格鋪層結(jié)構(gòu)，由多條正交垂直的預(yù)浸料縱向條帶2和預(yù)浸料橫向條帶I交替穿插構(gòu)成，其長度為條帶帶寬2m-l倍，寬度為條帶寬度2n-l倍，其交織位置結(jié)構(gòu)如圖2所示。將多個具有兩層預(yù)浸料的網(wǎng)格鋪層結(jié)構(gòu)疊加固定到一起最終形成一定厚度的網(wǎng)格鋪層層合板。
[0016]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書、說明書及其等效物界定。
【主權(quán)項】
1.一種優(yōu)化復(fù)合材料層合板性能的網(wǎng)格鋪層結(jié)構(gòu)，其特征在于，由多條正交垂直的預(yù)浸料縱向條帶和預(yù)浸料橫向條帶穿插構(gòu)成，所述鋪層結(jié)構(gòu)的長度為矩形條帶帶寬的2m-l倍，所述鋪層結(jié)構(gòu)的寬度為矩形條帶帶寬的2n-l倍，m，η為自然數(shù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化復(fù)合材料層合板性能的網(wǎng)格鋪層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述預(yù)浸料為碳纖維增強樹脂基預(yù)浸料。3.一種優(yōu)化復(fù)合材料層合板性能的網(wǎng)格鋪層結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)設(shè)定目標鋪層結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)目標鋪層結(jié)構(gòu)尺寸用分切機將預(yù)浸料原材料分切成一定寬度的矩形條帶并卷裝，目標鋪層結(jié)構(gòu)的長度為矩形條帶帶寬的2m-l倍，目標層合板的寬度為矩形條帶帶寬的2n-l倍，m，η為自然數(shù)； 2)按照目標鋪層結(jié)構(gòu)的尺寸規(guī)劃鋪帶機的鋪放軌跡，包括橫鋪和縱鋪； 3)將卷裝好的條帶卷安裝在鋪帶機上，控制鋪帶機按照設(shè)定起始位置在臺板上縱鋪一條條帶，形成第一條縱向條帶，在第一條縱向條帶的中間位置橫鋪一條條帶，形成第一條橫向條帶，進入步驟4)； 4)自橫向條帶端部至第一條縱向條帶左、右兩側(cè)邊的中間位置各縱鋪一條條帶；之后，自縱向條帶端部至第一條橫向條帶前、后兩側(cè)邊的中間位置各橫鋪一條條帶，進入步驟5)； 5)在上述步驟形成的相鄰縱向條帶之間或橫向條帶端部到最外側(cè)縱向條帶外側(cè)邊中間的位置均縱鋪一條條帶，之后，在相鄰橫向條帶之間或縱向條帶端部到最外側(cè)橫向條帶外側(cè)邊中間的位置均橫鋪一條條帶； 6)重復(fù)步驟5)直至相鄰縱向條帶之間、相鄰橫向條帶之間、橫向條帶端部到最外側(cè)縱向條帶之間、縱向條帶端部到最外側(cè)橫向條帶之間無空白間隙，即形成所述目標鋪層結(jié)構(gòu)； 上述步驟中，縱向條帶的長度相等，橫向條帶的長度相等。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種優(yōu)化復(fù)合材料層合板性能的網(wǎng)格鋪層結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于，所述預(yù)浸料為碳纖維增強樹脂基預(yù)浸料。5.一種優(yōu)化復(fù)合材料層合板性能的網(wǎng)格鋪層結(jié)構(gòu)，其特征在于，其結(jié)構(gòu)基于如權(quán)利要求3或4所述的制作方法制成。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種優(yōu)化復(fù)合材料層合板性能的網(wǎng)格鋪層結(jié)構(gòu)及制作方法，所述鋪層結(jié)構(gòu)，其特征在于，由多條正交垂直的預(yù)浸料縱向條帶和預(yù)浸料橫向條帶穿插構(gòu)成，所述鋪層結(jié)構(gòu)的長度為矩形條帶帶寬的2m-1倍，所述鋪層結(jié)構(gòu)的寬度為矩形條帶帶寬的2n-1倍，m，n為自然數(shù)。本發(fā)明巧妙地利用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可設(shè)計性這一特點，采用新的鋪疊方式進行合理的鋪層設(shè)計，設(shè)計出一種近似三維編織的結(jié)構(gòu)，固化成型后，在采用同種預(yù)浸料的前提下，與現(xiàn)有鋪層結(jié)構(gòu)相比能夠較明顯地提高其拉伸強度、抗彎強度、剪切強度等，而采用該編織方式得到的層合板相對于常規(guī)層合板，其拉伸、彎曲、層間剪切性能均有一定程度的提高，這對復(fù)合材料三維增強技術(shù)的發(fā)展有極大的促進意義。
【IPC分類】B29C70/22, B29C70/38
【公開號】CN105082552
【申請?zhí)枴緾N201510614796
【發(fā)明人】還大軍, 李勇, 許愛華, 肖軍
【申請人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年9月24日