一種準三維增強的復合材料點陣夾層結構及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于復合材料結構技術領域，涉及復合材料點陣夾層板構件性能增強技術，具體為一種準三維增強的復合材料點陣夾層結構及其制作方法。
【背景技術】
[0002]以纖維增強樹脂基復合材料為代表的先進復合材料具有輕質、高強、高模量、耐疲勞、抗腐蝕、結構功能一體化和設計制造一體化、易于成型大型構件等突出優(yōu)點，已在航空、航天等領域獲得了廣泛的應用。但纖維增強樹脂基復合材料夾層板面芯結合性能較弱，在一定程度上限制了其應用。
[0003]復合材料點陣夾層板的芯材在點陣夾層結構中所起到的作用主要有:第一，支撐作用，支撐上、下面板，使結構的抗彎剛度提高;第二，傳遞載荷的作用，點陣芯子將某一塊面板或某一個局部區(qū)域受到的載荷傳遞給另外一塊面板或其他區(qū)域，使結構載荷分布均勻，盡量避免應力集中現(xiàn)象;第三，減輕重量的作用，點陣芯子較高的孔隙率可以降低結構的重量。因此，需要芯子具有一定的連續(xù)性，同時由于面板和芯子之間存在傳力界面，要求具有較高的面芯結合強度。研究者們對多種點陣芯子和泡沫夾芯材料進行了研究，如復合材料蜂窩、PMI或PVC泡沫、多種不同形狀的格柵結構，以及三維點陣芯子等。普遍存在的問題有:面芯間膠層的粘接強度較低，易出現(xiàn)面芯脫粘;蜂窩夾層結構維護修理的要求較高，面板服役中出現(xiàn)的裂隙會使水或水汽進入蜂窩中，在低溫下結冰膨脹會破壞蜂窩孔格的粘接，降低了夾層結構的性能;格柵結構制作工藝復雜，制作成本高昂；部分格柵結構在厚度方向上的不對稱性會引起結構的翹曲變形，影響使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術目的是針對現(xiàn)有的纖維增強樹脂基復合材料點陣夾層結構面芯粘接強度較弱的問題，提供了一種準三維增強的復合材料點陣夾層結構及制作方法。
[0005]為實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明提供的技術方案為:
[0006]—種準三維增強的復合材料點陣夾層結構，其由纖維布與編織點陣芯子構成，編織點陣芯子由纖維布條帶按正交方式縱橫穿插編織而成，纖維布條帶之間有立方體泡沫作為芯子，所述準三維增強的復合材料點陣夾層結構的長度為[ml+xt(m-l)]，所述結構寬度為[nl+xt(n-l)]，所述結構高度為[2t(x+y)+l]，其中:m、n分別為橫向、縱向立方體泡沫數(shù)，1為立方體泡沫邊長，x、y分別為點陣芯子和面板鋪層數(shù)，t為單層纖維布厚度。
[0007]所述纖維布的纖維為玻璃纖維或碳纖維。
[0008]—種準三維增強的復合材料點陣夾層結構，其由預浸料與編織點陣芯子構成，編織點陣芯子由預浸料條帶按正交方式縱橫穿插編織而成，預浸料條帶之間有立方體泡沫作為芯子，所述結構的長度為[ml+xt(m-l)]，所述結構寬度為[nl+xt(n-l)]，所述結構高度為[2t(x+y)+l]，其中:m、n分別為橫向、縱向立方體泡沫數(shù)，1為立方體泡沫邊長，x、y分別為點陣芯子和面板鋪層數(shù)，t為單層預浸料厚度。
[0009]所述預浸料為玻璃纖維增強樹脂基預浸料或碳纖維增強樹脂基預浸料。
[0010]一種準三維增強的復合材料點陣夾層結構制作方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0011]1)確定點陣夾層結構由m行、η列立方體泡沫芯子及纖維布條帶和上、下面板纖維布組成，m、n為非0自然數(shù)，芯子鋪層數(shù)為X層，面板鋪層數(shù)為y層;單層纖維布厚度為t，立方體泡沫芯子邊長為1，目標點陣夾層結構的總長度為[ml+xt(m-l)]，總寬度為[nl+xt(n-1)]，高度為[2t(x+y)+l];
[0012]2)根據(jù)目標結構尺寸將纖維布原材料裁切成寬度為1的矩形條帶，縱向纖維布條帶長度大于(2m-l)l，橫向條帶長度大于(2n-l)l，將X層裁切好的矩形條帶整齊疊放在一起;將泡沫板裁切成(m*n)個邊長為1的正方體，作為目標結構中間夾芯的支撐芯子，準備一塊與目標結構同尺寸的帶孔鋼板，鋼板上縱向、橫向孔間距為20mm，孔徑為3mm;
[0013]3)將裁切并疊放整齊的m條纖維矩形條帶分別繞過m行的η個立方體泡沫芯子，并相互固定，纖維布條帶呈連續(xù)的“弓”字形，形成m個纖維布條帶與立方體泡沫芯子的組合體；
[0014]4)將步驟3)中制作完成的m個纖維條帶與芯子的組合體正反交錯排列，將η條橫向排列整齊的矩形纖維布條帶的一端固定，從第一排纖維芯子組合體的“弓”字形開口處穿過并抽緊，使纖維與泡沫芯子緊密貼合并固定后，將其穿過第二排反面排列的纖維芯子組合體的“弓”字形開口處，抽緊纖維并固定，如此依次編織其后各列，直至縱向與橫向纖維與泡沫芯子相對固定并緊密貼合無空隙，即形成所述目標結構的中間夾芯；
[0015]5)按照VARI工藝要求，在玻璃平板上按順序鋪設脫模布、下面板纖維布、中間夾芯、上面板纖維布、脫模布、隔離膜、導流網(wǎng)，鋪放完成后在導流網(wǎng)上方放置帶孔鋼板，并鋪放第二層導流網(wǎng)，連接好真空栗抽氣口和注膠口后，鋪放真空袋膜并密封，抽氣達到一定真空度并保壓一段時間后進行注膠固化。
[0016]一種準三維增強的復合材料點陣夾層結構制作方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0017]1)確定點陣夾層結構由m行、η列立方體泡沫芯子及預浸料條帶和上、下面板預浸料組成，m、n為非0自然數(shù)，芯子鋪層數(shù)為X層，面板鋪層數(shù)為y層;單層預浸料厚度為t，立方體泡沫芯子邊長為1，目標點陣夾層結構的總長度為[ml+xt(m-l)]，總寬度為[nl+xt(n-1)]，高度為[2t(x+y)+l];
[0018]2)根據(jù)目標結構尺寸將預浸料原材料裁切成寬度為1的矩形條帶，縱向預浸料條帶長度大于(2m-l)l，橫向條帶長度大于(2n-l)l，將X層裁切好的矩形條帶整齊疊放在一起;將泡沫板裁切成(m*n)個邊長為1的正方體，作為目標結構中間夾芯的支撐芯子，準備一塊與目標結構同尺寸的帶孔鋼板，鋼板上縱向、橫向孔間距為20mm，孔徑為3mm;
[0019]3)將裁切并疊放整齊的m條預浸料矩形條帶分別繞過m行的η個立方體泡沫芯子，并相互固定，預浸料條帶呈連續(xù)的“弓”字形，形成m個預浸料條帶與立方體泡沫芯子的組合體；
[0020]4)將步驟3)中制作完成的m個預浸料條帶與芯子的組合體正反交錯排列，將η條橫向排列整齊的矩形預浸料條帶的一端固定，從第一排預浸料芯子組合體的“弓”字形開口處穿過并抽緊，使預浸料與泡沫芯子緊密貼合并固定后，將其穿過第二排反面排列的預浸料芯子組合體的“弓”字形開口處，抽緊預浸料并固定，如此依次編織其后各列，直至縱向與橫向預浸料與泡沫芯子相對固定并緊密貼合無空隙，即形成所述目標結構的中間夾芯；
[0021]5)按照VARI工藝要求，在玻璃平板上按順序鋪設脫模布、下面板預浸料、中間夾芯、上面板預浸料、脫模布，鋪放真空袋膜，密封并抽真空后直接固化。
[0022]本發(fā)明方案中，所述“縱”、“橫”、“正”、“反”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。
[0023]本發(fā)明一種準三維增強的復合材料點陣夾層結構及其制作方法巧妙地利用了復合材料結構的可設計性，采用新的交錯鋪層方式進行合理的鋪層設計，設計出一種新的準三維點陣夾芯結構。相比于一般的夾層結構、格柵結構，具有以下優(yōu)點:
[0024]1)—種準三維增強的復合材料點陣夾層結構在制作中一次固化成型，面板與鋪層網(wǎng)格結構間的粘接強度比使用膠膜粘接的夾層結構的粘接強度更高；
[0025]2)相比于一般的夾層結構和格柵結構，一種準三維增強的復合材料點陣夾層結構的面板和芯材之間的粘接面積更大，粘接面積等于面板面積，面芯粘接強度更高；
[0026]3)相比于不同的格柵結構，一種準三維增強的復合材料點陣夾層結構在平面內(nèi)X、Y方向上的纖維是連續(xù)的，受載時載荷傳遞更均勻；
[0027]4)相比于復合材料泡沫夾芯板，一種準三維增強的復合材料點陣夾層結構在面板法向方向上提供了纖維增強作用，各項力學性能均有顯著提高；
[0028]5)相比于常規(guī)VARI工藝，一種準三維增強的復合材料點陣夾層結構的制作方法在最上層導流網(wǎng)上方增加一塊帶孔鋼板和一層導流網(wǎng)，解決了注膠管周圍膠液堆積的問題，提高了夾層結構上面板表面質量，從而改善了點陣夾層結構的力學性能。
[0029]—種準三維增強的復合材料點陣夾層結構固化成型后，在組元材料相同的前提下，相比現(xiàn)有的點陣夾層結構(如格柵夾層結構、蜂窩夾層結構、泡沫夾層結構、三維點陣夾層結構)大幅提高了面板與芯子之間的界面強度，解決了常規(guī)點陣夾層結構芯材鋪層中纖維不連續(xù)的問題，從而提高了夾層結構的抗彎強度、剪切強度、側壓強度等，這對復合材料三維結構增強技術的發(fā)展有著十分重要的意義。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的步驟3)所述的組合體的結構示意圖。
[0031]圖2為本發(fā)明的編織鋪層完成后的點陣芯子(7行7列)的結構示意圖。
[0032]圖3為圖2中點陣芯子截面A-A截面圖。
[0033]圖4為圖2中點陣芯子截面B-B截面圖。
[0034