本發(fā)明屬于復(fù)合材料z-pin(即z向增強(qiáng))技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種復(fù)合材料z向增強(qiáng)超聲植入方法。

背景技術(shù)：

大部分的先進(jìn)復(fù)合材料是由預(yù)浸料鋪疊后固化而成，對(duì)于由預(yù)浸料制備而成的復(fù)合材料層合板，其層間性能較弱，對(duì)外物的沖擊相當(dāng)敏感，即使在較低能量物體的沖擊下，也會(huì)在層合板內(nèi)造成諸如纖維斷裂、基體開裂、分層等損傷，造成其力學(xué)性能較大幅度的下降。層間性能不足是復(fù)合材料層合板的最大弱點(diǎn)，提高層間性能的方法大致可以分為兩類：(1)通過改善組分材料性能來提高層合板層間韌性的材料學(xué)方法；(2)在厚度方向上引入增強(qiáng)纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，如z-pin技術(shù)、三維編織、縫合技術(shù)等。

復(fù)合材料層合板易分層，分層損傷會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生嚴(yán)重影響，分層界面由于應(yīng)力集中更加容易產(chǎn)生裂紋。在提高層間韌性的技術(shù)中，較其它方式而言，z-pin增強(qiáng)技術(shù)具有生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)制備簡(jiǎn)單，工藝質(zhì)量便于控制等優(yōu)點(diǎn)。z-pin的存在可以顯著提高層壓板的層間強(qiáng)度和分層阻力，同時(shí)可以對(duì)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部強(qiáng)化。

文獻(xiàn)“專利申請(qǐng)?zhí)柺?01310694677.5的中國(guó)發(fā)明專利”公開了一種含z-pin強(qiáng)化的纖維預(yù)制體制造方法，該方法首先制備含z-pin的泡沫預(yù)制體，并將制備完畢的泡沫預(yù)制體放置于待強(qiáng)化的纖維預(yù)制體表面，然后使用超聲植入裝置將泡沫預(yù)制體中的z-pin直接壓入所述纖維預(yù)制體中。理論上可以使用這種方法將z-pin植入纖維預(yù)制體中進(jìn)行縱向強(qiáng)化。但實(shí)際中，由于預(yù)制體中的纖維交錯(cuò)致密分布，且碳纖維z-pin構(gòu)件往往直徑較小(一般為0.1mm數(shù)量級(jí))，當(dāng)植入到預(yù)制體中的一定深度時(shí)，碳纖維z-pin構(gòu)件的前端由于磨損便不再銳利，開始出現(xiàn)分岔，這使得植入阻力迅速上升，同時(shí)開始對(duì)預(yù)制體中的纖維造成更大范圍的破壞，當(dāng)碳纖維z-pin構(gòu)件的前端阻力增加到一定程度時(shí)，便不能繼續(xù)植入，若通過增加外力的方式將碳纖維z-pin構(gòu)件強(qiáng)行壓入，則有可能造成層合板預(yù)制體綜合性能的大幅下降。

航空航天等領(lǐng)域的復(fù)合材料層合板構(gòu)件厚度已經(jīng)超過50mm，使用現(xiàn)有的z-pin超聲植入方法已經(jīng)無法滿足這類大厚度構(gòu)件的綜合性能提升。在查閱大量相關(guān)技術(shù)資料的情況下，發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)還沒有一種適合于大厚度、難植入、易損傷的復(fù)合材料層合板預(yù)制體的層間強(qiáng)化技術(shù)。因此，若能在現(xiàn)有z-pin超聲植入方法的基礎(chǔ)上，引入部分創(chuàng)新，使z-pin超聲植入在滿足大厚度層合板預(yù)制體高效植入的前提下，同時(shí)大幅提升復(fù)合材料的綜合性能，這對(duì)復(fù)合材料在各個(gè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有含z-pin強(qiáng)化的纖維預(yù)制體制造方法實(shí)用性差的不足，本發(fā)明提供一種復(fù)合材料z向增強(qiáng)超聲植入方法。該方法首先制備碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體；再采用拉擠成型工藝制備碳纖維z-pin構(gòu)件；使用鋼針在碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體上按照2～8mm的行/列間距分布規(guī)律借助超聲振動(dòng)設(shè)備制備預(yù)制孔洞；將碳纖維z-pin構(gòu)件借助超聲振動(dòng)設(shè)備植入到鋼針制備的預(yù)制孔洞中；對(duì)預(yù)制體外的碳纖維z-pin構(gòu)件進(jìn)行加工修整。本發(fā)明在將碳纖維z-pin構(gòu)件植入預(yù)制體前，預(yù)先使用鋼針在相應(yīng)位置處制備預(yù)制孔洞，使得碳纖維z-pin構(gòu)件更容易植入到厚度較大的預(yù)制體中，同時(shí)降低了碳纖維z-pin構(gòu)件在植入過程中對(duì)預(yù)制體造成的傷害，從而減小復(fù)合材料的面內(nèi)性能損失，實(shí)用性好。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案：一種復(fù)合材料z向增強(qiáng)超聲植入方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：

步驟一、制備碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體1；

步驟二、采用拉擠成型工藝制備碳纖維z-pin構(gòu)件5，經(jīng)升溫模具固化和裁剪加工，得到碳纖維z-pin構(gòu)件5；

步驟三、在碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體1上按照2～8mm的行/列間距規(guī)劃待碳纖維z-pin構(gòu)件5植入的位置，并借助超聲振動(dòng)設(shè)備將直徑與碳纖維z-pin構(gòu)件5相同的鋼針2植入到碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體1的待z-pin強(qiáng)化位置，再將鋼針2從碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體1中拔出，在碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體1上得到待碳纖維z-pin構(gòu)件5植入的預(yù)制孔洞3；

步驟四、將已經(jīng)植入到泡沫載體4中的碳纖維z-pin構(gòu)件5放置于碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體1上，使泡沫載體4中的碳纖維z-pin構(gòu)件5植入端對(duì)準(zhǔn)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體1表面上的預(yù)制孔洞3，再次借助超聲振動(dòng)設(shè)備，將碳纖維z-pin構(gòu)件5植入到預(yù)制孔洞3中；

步驟五、使用裁刀對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體1外的碳纖維z-pin構(gòu)件5進(jìn)行加工修整，除去碳纖維z-pin構(gòu)件5上的多余部分，使碳纖維z-pin構(gòu)件5與碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體1的外表面平齊。

優(yōu)選地，所述鋼針2與碳纖維z-pin構(gòu)件5的直徑相同。

優(yōu)選地，使用超聲振動(dòng)植入設(shè)備將碳纖維z-pin構(gòu)件5錘擊植入預(yù)制孔洞3中的植入時(shí)間控制在10s以內(nèi)。

本發(fā)明的有益效果是：該方法首先制備碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體；再采用拉擠成型工藝制備碳纖維z-pin構(gòu)件；使用鋼針在碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體上按照2～8mm的行/列間距分布規(guī)律借助超聲振動(dòng)設(shè)備制備預(yù)制孔洞；將碳纖維z-pin構(gòu)件借助超聲振動(dòng)設(shè)備植入到鋼針制備的預(yù)制孔洞中；對(duì)預(yù)制體外的碳纖維z-pin構(gòu)件進(jìn)行加工修整。本發(fā)明在將碳纖維z-pin構(gòu)件植入預(yù)制體前，預(yù)先使用鋼針在相應(yīng)位置處制備預(yù)制孔洞，使得碳纖維z-pin構(gòu)件更容易植入到厚度較大的預(yù)制體中，同時(shí)降低了碳纖維z-pin構(gòu)件在植入過程中對(duì)預(yù)制體造成的傷害，從而減小復(fù)合材料的面內(nèi)性能損失，實(shí)用性好。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明復(fù)合材料z向增強(qiáng)超聲植入方法中使用鋼針在碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體中制備預(yù)制孔洞的剖面示意圖。

圖2是本發(fā)明方法中將鋼針從預(yù)制孔洞中拔出后的俯視圖。

圖3是本發(fā)明方法中將碳纖維z-pin構(gòu)件植入帶有預(yù)制孔洞的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體中的剖面示意圖。

圖4是本發(fā)明方法所用鋼針的示意圖。

圖5是本發(fā)明方法中的碳纖維z-pin構(gòu)件示意圖。

圖中，1-碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體，2-鋼針，3-預(yù)制孔洞，4-泡沫載體，5-碳纖維z-pin構(gòu)件。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1-5。本發(fā)明用于順利地將碳纖維z-pin構(gòu)件植入厚度超過20mm的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體中，具體步驟如下：

步驟一、制備碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體1；

步驟二、采用拉擠成型工藝制備碳纖維z-pin構(gòu)件5，經(jīng)升溫模具固化、裁剪加工，得到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度和直徑的碳纖維z-pin構(gòu)件5；

步驟三、在層合板預(yù)制體上按照2～8mm的行/列間距規(guī)劃好待碳纖維z-pin構(gòu)件5植入的位置，并借助超聲振動(dòng)設(shè)備將直徑與碳纖維z-pin構(gòu)件5相同的鋼針2植入到碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體1的待z-pin強(qiáng)化位置，再將鋼針2從碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體1中拔出，從而在碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體1上得到待碳纖維z-pin構(gòu)件5植入的預(yù)制孔洞3；

步驟四、將已經(jīng)植入到泡沫載體4中的碳纖維z-pin構(gòu)件5放置于碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體1，使泡沫載體4中的碳纖維z-pin構(gòu)件5植入端對(duì)準(zhǔn)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體1表面上的預(yù)制孔洞3，再次借助超聲振動(dòng)設(shè)備，將碳纖維z-pin構(gòu)件5植入到預(yù)制孔洞3中；

步驟五、使用裁刀對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體1外的碳纖維z-pin構(gòu)件5進(jìn)行加工修整，除去碳纖維z-pin構(gòu)件5上的多余部分，使碳纖維z-pin構(gòu)件5與碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體1的外表面平齊。

優(yōu)選地，所述鋼針以及碳纖維z-pin構(gòu)件的直徑相同，且均為0.1mm數(shù)量級(jí)。

優(yōu)選地，使用超聲振動(dòng)植入設(shè)備將碳纖維z-pin構(gòu)件快速錘擊植入預(yù)制孔洞中的植入時(shí)間控制在10s以內(nèi)。