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(qiáng)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(qiáng)樹脂基復(fù)合材料為代表的先進(jìn)復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模量、耐疲勞、抗腐蝕、結(jié)構(gòu)功能一體化和設(shè)計(jì)制造一體化、易于成型大型構(gòu)件等突出優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)復(fù)合材料的層間強(qiáng)度低，對于層合板三維方向有不同的增強(qiáng)方式，如縫合技術(shù)、三維編織、Z-pin增強(qiáng)技術(shù)等，這些增強(qiáng)技術(shù)都能夠較為顯著地提高層合板層間強(qiáng)度，但是這些增強(qiáng)方式在增強(qiáng)三維方向強(qiáng)度的同時(shí)會對纖維造成一定的損傷或存在無法克服的缺點(diǎn)。在縫合過程中針頭的來回?cái)[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(qiáng)度等均有所下降。三維編織難以精確控制機(jī)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(qiáng)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(jìn)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(jì)了一種對復(fù)合材料層合板性能有增強(qiáng)作用的2.5維網(wǎng)格鋪層結(jié)構(gòu)及制作方法。
[0005]為實(shí)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(qiáng)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(biāo)鋪層結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)目標(biāo)鋪層結(jié)構(gòu)尺寸用分切機(jī)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(biāo)鋪層結(jié)構(gòu)的長度為矩形條帶帶寬的2m_l倍，目標(biāo)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(biāo)鋪層結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)鋪帶機(jī)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(jī)上，控制鋪帶機(jī)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(jìn)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(jìn)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(biāo)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(qiáng)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(jì)性這一特點(diǎn)，采用新的鋪疊方式進(jìn)行合理的鋪層設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、剪切強(qiáng)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(qiáng)技術(shù)的發(fā)展有極大的促進(jìn)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(shí)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(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)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(biāo)鋪層結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)目標(biāo)鋪層結(jié)構(gòu)尺寸用分切機(jī)將大塊的碳纖維增強(qiáng)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(biāo)鋪層結(jié)構(gòu)的長度為矩形條帶帶寬的2m-l倍，目標(biāo)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(biāo)鋪層結(jié)構(gòu)尺寸長、寬可以不相等；
2)按照目標(biāo)鋪層結(jié)構(gòu)的尺寸規(guī)劃鋪帶機(jī)的鋪放軌跡，將控制軌跡的編程代碼輸入電腦，控制鋪帶機(jī)運(yùn)行，所述鋪放軌跡包括橫鋪和縱鋪，鋪帶機(jī)通過送紗、切紗和止紗完成每個(gè)鋪放動作，每個(gè)鋪放動作的始端和末端由目標(biāo)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(jī)上，控制鋪帶機(jī)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(jìn)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(jìn)入步驟5);
5)在上述步驟中已鋪的三個(gè)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(biāo)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(gè)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(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)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(jìn)，本發(fā)明要求保護(hù)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(xiàng)】
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(qiáng)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(biāo)鋪層結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)目標(biāo)鋪層結(jié)構(gòu)尺寸用分切機(jī)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(biāo)鋪層結(jié)構(gòu)的長度為矩形條帶帶寬的2m-l倍，目標(biāo)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(biāo)鋪層結(jié)構(gòu)的尺寸規(guī)劃鋪帶機(jī)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(jī)上，控制鋪帶機(jī)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(jìn)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(jìn)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(biāo)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(qiáng)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(jì)性這一特點(diǎn)，采用新的鋪疊方式進(jìn)行合理的鋪層設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、剪切強(qiáng)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(qiáng)技術(shù)的發(fā)展有極大的促進(jìn)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