專利名稱：一種復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及纖維復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高強度的復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)，及其制備方法。
背景技術(shù)：
纖維增強復(fù)合材料具有高比強度、高比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計性強等一系列優(yōu)異性能，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、航海、國防、交通運輸、化工機械等領(lǐng)域。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接方式主要有膠接連接和機械連接。由于機械連接能傳遞大的載荷，便于拆裝和檢查維修，故復(fù)合材料主要承力結(jié)構(gòu)連接處多采用機械連接。然而，機械連接需要在連接區(qū)上鉆孔，鉆孔切斷了纖維，導(dǎo)致螺孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，使其成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中最容易發(fā)生破壞的薄弱環(huán)節(jié)。實際應(yīng)用表明，在飛機的各種故障中，75%-80%的疲勞破壞發(fā)生在機體結(jié)構(gòu)的零件連接部位上。因此，開展復(fù)合材料層合板機械連接問題的研究對復(fù)合材料層合板的工程應(yīng)用具有重要意義。對此，可以使用纖維織物補強片對機械連接結(jié)構(gòu)進行補強，以提高連接結(jié)構(gòu)的強度。傳統(tǒng)的補強方法是采用纖維織物如由纖維方格布或多軸向布通過裁剪得到補強片，在該技術(shù)中，由于補強片的纖維被切斷，因此補強效果并不理想；且裁剪的過程中會造成纖維的浪費，對于較為昂貴的碳纖維材料而言，成本耗費大，不利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。綜上所述，本領(lǐng)域迫切需要開發(fā)一種低成本，補強效果好、設(shè)計和制造簡單的機械連接結(jié)構(gòu)用補強方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種提高復(fù)合材料機械連接強度的補強片及補強方法，并使用該補強片提高復(fù)合材料開孔構(gòu)件的承載能力。本發(fā)明的第一方面，提供了一種復(fù)合材料制件，所述制件是具有增強開孔的復(fù)合材料制件，所述的增強開孔是用補強片進行補強的開孔，其中所述補強片包括迭放在一起的徑向纖維軌跡層和環(huán)向纖維軌跡層，其中，所述徑向纖維軌跡層與緊固件周圍的復(fù)合材料存在第一重疊區(qū)域而與緊固件開孔區(qū)域不存在重疊區(qū)域；所述環(huán)向軌跡層與緊固件周圍的復(fù)合材料存在第二重疊區(qū)域而與緊固件開孔區(qū)域不存在重疊區(qū)域；且所述徑向纖維軌跡層的中心與所述環(huán)向纖維軌跡層的中心基本重合。在另一優(yōu)選例中，所述徑向纖維軌跡層總體形狀為圍繞開孔的環(huán)形。在另一優(yōu)選例中，所述第一重疊區(qū)域的內(nèi)沿與開孔的邊緣基本重合。在另一優(yōu)選例中，所述第二重疊區(qū)域的內(nèi)沿與開孔的邊緣基本重合。在另一優(yōu)選例中，所述的復(fù)合材料為纖維增強的復(fù)合材料。在另一優(yōu)選例中，所述增強開孔是用一片、二片或多片補強片進行補強的開孔。
在另一優(yōu)選例中，所述的開孔形狀為圓形或正多邊形。本發(fā)明的第二方面，提供了一種復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)，包括I)第一制件，所述第一制件是具有增強開孔的復(fù)合材料制件，所述的增強開孔是用補強片進行補強的開孔，其中所述補強片由徑向纖維軌跡層和環(huán)向纖維軌跡層的未浸或預(yù)浸樹脂的增強纖維絲束構(gòu)成；2)緊固件，所述緊固件通過上述開孔將所述第一制件連接或固定于第二制件或者
第二組件。在另一優(yōu)選例中，所述的第二制件也是具有增強開孔的復(fù)合材料制件。在另一優(yōu)選例中，所述的第二組件包括機器零件、墻面、地面。在另一優(yōu)選例中，所述的復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)還包括通過同一緊固件連接或固定在一起的其他制件或組件。在另一優(yōu)選例中，所述的復(fù)合材料為增強的復(fù)合材料，較佳地為纖維增強的復(fù)合材料。在另一優(yōu)選例中，所述復(fù)合材料制件被固定或連接在復(fù)合材料或非復(fù)合材料的表面上。在另一優(yōu)選例中，所述復(fù)合材料制件通過緊固件被固定在復(fù)合材料或非復(fù)合材料的表面上。在另一優(yōu)選例中，所述的緊固件為螺栓。本發(fā)明的第三方面，提供了一種制備本發(fā)明第一方面所述的復(fù)合材料制件的方法，包括步驟(a)在制備復(fù)合材料開孔制件的過程中，當(dāng)制得的纖維復(fù)合材料開孔制件的纖維預(yù)成型體后，將補強片鋪放在纖維預(yù)成型體的開孔部位，然后將補強片與纖維預(yù)成型體一體化固化成型，得到開孔補強的纖維復(fù)合材料開孔制件；或所述方法包括步驟(b)(b)將補強片直接鋪放在已成型的復(fù)合材料開孔制件的開孔部位的表面，然后進行二次固化成型，得到開孔補強的復(fù)合材料開孔制件。在另一優(yōu)選例中，所述的一體化固化成型包括復(fù)合材料液體模塑成型工藝、熱壓罐成型工藝和模壓成型工藝。在另一優(yōu)選例中，所述的復(fù)合材料液體模塑成型工藝包括樹脂傳遞模塑成型工藝、真空輔助樹脂注射成型工藝和樹脂膜滲透成型工藝。在另一優(yōu)選例中，所述的二次固化成型包括真空輔助樹脂注射成型工藝、樹脂膜滲透成型工藝、熱壓罐成型工藝和模壓成型工藝。在另一優(yōu)選例中，所述制件是具有增強開孔的復(fù)合材料制件，所述的增強開孔是用補強片進行補強的開孔，其中，所述補強片包括迭放在一起的徑向纖維軌跡層和環(huán)向纖維軌跡層；其中，所述徑向纖維軌跡層與緊固件周圍的復(fù)合材料存在第一重疊區(qū)域而與緊固件開孔區(qū)域不存在重疊區(qū)域；所述環(huán)向軌跡層與緊固件周圍的復(fù)合材料存在第二重疊區(qū)域而與緊固件開孔區(qū)域不存在重疊區(qū)域；且
所述徑向纖維軌跡層的中心與所述環(huán)向纖維軌跡層的中心基本重合。在另一優(yōu)選例中，所述補強片通過包含下列步驟的途徑制備i)對緊固件連接的復(fù)合材料構(gòu)件進行受力分析，得到螺孔周圍的主應(yīng)力分布情況；ii)根據(jù)螺孔周圍的主應(yīng)力分布，用相關(guān)軟件分別描繪拉應(yīng)力和壓應(yīng)力軌跡；iii)在得到的主應(yīng)力軌跡的基礎(chǔ)上，沿著拉應(yīng)力軌跡布置環(huán)向軌跡，沿著壓應(yīng)力軌跡布置徑向軌跡，將這些軌跡連成整體，形成補強片的纖維鋪放軌跡；iv)按照所設(shè)計的纖維絲束軌跡、幾何形狀及尺寸，采用縫合線或粘合劑將纖維絲束固定在底材上，制得所需的補強片。在另一優(yōu)選例中，所述的步驟i)包括對待加固補強部位進行受力分析，確定待加固補強部位主要承受載荷的方向和大小，并結(jié)合待加固補強部位的幾何形狀及尺寸大小設(shè)計補強片，使補強片的纖維絲束軌跡與開孔補強部位的受力承載方向一致或基本一致，幾何形狀以及尺寸大小與開孔補強部位相匹配。在另一優(yōu)選例中，所述環(huán)向軌跡與復(fù)合材料所受的拉應(yīng)力軌跡一致或基本一致，且所述徑向軌跡與復(fù)合材料所受的壓應(yīng)力軌跡一致或基本一致。在另一優(yōu)選例中，所述方法包括用有限元分析軟件進行受力分析，用相關(guān)軟件描繪應(yīng)力的受力情況，從而設(shè)計補強片的纖維軌跡。在另一優(yōu)選例中，纖維軌跡的設(shè)計通過有限元分析軟件進行，較佳地通過ANSYS或ABAQUS有限元分析軟件進行。在另一優(yōu)選例中，所述補強片的纖維是預(yù)浸基體樹脂纖維束或未浸基體樹脂纖維絲束，且所述的纖維選自下組玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、陶瓷纖維、天然纖維或其組合。在另一優(yōu)選例中，所述補強片的預(yù)浸樹脂基體選自環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、陰離子開環(huán)聚合聚酰胺類樹脂、聚對苯二甲酸環(huán)丁二醇酯樹脂、聚丙烯樹脂、聚乙烯樹脂、聚酰胺樹脂、聚苯硫醚樹脂、聚醚醚酮樹脂、聚乳酸樹脂、聚醚酰亞胺樹脂，或聚酰亞胺樹脂。在另一優(yōu)選例中，所述復(fù)合材料制件的樹脂基體選自不飽和樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯類樹脂、聚氨酯樹脂、陰離子開環(huán)聚合聚酰胺類樹脂、聚對苯二甲酸環(huán)丁二醇酯樹脂、聚丙烯樹脂、聚乙烯樹脂、聚酰胺樹脂、聚苯硫醚樹脂、聚醚醚酮樹脂、聚乳酸樹脂、聚醚酰亞胺樹脂，或聚酰亞胺樹脂。在本發(fā)明的第四方面，提供了一種制備本發(fā)明的第二方面的復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的方法，包括步驟提供一第一制件，所述第一制件是具有增強開孔的復(fù)合材料制件，所述的增強開孔是用補強片進行補強的開孔，其中所述補強片由徑向纖維軌跡層和環(huán)向纖維軌跡層的未浸或預(yù)浸樹脂的增強纖維絲束構(gòu)成；用緊固件通過上述開孔將所述第一制件連接或固定于第二制件或者第二組件，從而形成一連接結(jié)構(gòu)。應(yīng)理解，在本發(fā)明范圍內(nèi)中，本發(fā)明的上述各技術(shù)特征和在下文(如實施例)中具體描述的各技術(shù)特征之間都可以互相組合，從而構(gòu)成新的或優(yōu)選的技術(shù)方案。限于篇幅，在
此不再一一累述。


圖1是本發(fā)明的連接結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀示意圖；其中，圖1A為復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖1B為復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖1中，I是具有增強開孔的復(fù)合材料制件(第一制件)，2是與復(fù)合材料制件連接的第二制件，3是用于補強復(fù)合材料制件的補強片，4是用于連接第一制件和第二制件的緊固件；圖2是補強片纖維鋪放路徑示意圖；圖3是實驗制得的補強片的實物圖；圖4是補強片鋪放方式示意圖。圖5是玻璃纖維織物補強片實物圖。
具體實施例方式本發(fā)明人經(jīng)過長期而深入的研究，意外地發(fā)現(xiàn)，在復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)中，按復(fù)合材料制件的受力情況設(shè)計補強片并對制件進行補強，能夠有效地提高復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的強度。據(jù)此，發(fā)明人提出了一種機械連接強度增強的復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的制備方法。在本發(fā)明中，術(shù)語“構(gòu)件”、“制件”、“制品”、“部件”可互換使用，指用復(fù)合材料制成的任何制品，尤其是具有增強開孔的制品。緊固件如本文所用，術(shù)語“緊固件”指將兩個或兩個以上的零件(或構(gòu)件)緊固連接成為一件整體時所采用的機械零件。在本發(fā)明中，緊固件用于將復(fù)合材料制件和復(fù)合材料或非復(fù)合材料制件連接成為整體。本發(fā)明所用的緊固件的形狀和材質(zhì)沒有特別限制，優(yōu)選的可用于本發(fā)明的緊固件包括但不限于螺栓、螺母、螺柱、螺釘，或其組合。徑向纖維軌跡層如本文所用，術(shù)語“徑向纖維軌跡”指與開孔的邊緣相交且呈徑向排列的纖維軌跡。通常，每個徑向排列的纖維軌跡形成或構(gòu)成一個徑向纖維軸。各個徑向纖維軌跡中心線(或中軸)可以指向并匯聚于開孔的中心或中心區(qū)域。雖然，在同一徑向纖維軌跡層中，各徑向纖維軸的取向(或與開孔邊緣形成的夾角大小)可以相同或不同，但優(yōu)選相同或基本相同。此外，當(dāng)含有多個徑向纖維軌跡層時，各徑向纖維軌跡層的徑向纖維軌跡的取向可以相同，可以不同。例如，第一層取向45度,第二層取向-45度。在本發(fā)明中，徑向纖維軸的數(shù)量沒有特別限制，通常取決于開孔的大小以及所需達到的補強程度。一般，按開孔的周長計算，徑向纖維層的徑向纖維軸的密度通常為3-50根/cm,較佳地為5-25根/cm。在另一優(yōu)選例中，每一層徑向纖維層的徑向纖維軸數(shù)量為10 1000根，較佳地為15-150 根。 在本發(fā)明中，每層徑向纖維軌跡層可由一根或多根纖維構(gòu)成，較佳地由一根纖維構(gòu)成，即一個徑向纖維軌跡層中的所有徑向纖維軸由單根纖維形成。更優(yōu)選地，多個或所有徑向纖維軌跡層是由一根纖維構(gòu)成。
環(huán)向纖維軌跡層如本文所用，術(shù)語“環(huán)向纖維軌跡”指中心與開孔的中心基本重合的環(huán)向纖維的軌跡。較佳地，本發(fā)明的環(huán)向纖維軌跡的形狀為螺旋形。在本發(fā)明中，所述的環(huán)向纖維軌跡可為圓形、近圓形、橢圓形、近橢圓形或螺旋線形或其他與開孔形狀相似或相近的形狀，或其組合。環(huán)向纖維軌跡可以是封閉的(如圓形)，也可以是不封閉的(如螺旋形)。較佳地，本發(fā)明的環(huán)向纖維軌跡的形狀為螺旋形。優(yōu)選為螺旋線形。在本發(fā)明中，環(huán)向纖維軌跡的圈數(shù)沒有特別限制，通常取決于開孔的大小以及所需達到的補強程度。一般，按補強區(qū)域的寬度(R_r)計算，環(huán)向纖維軌跡層的纖維圈數(shù)通常為1-50根/cm，較佳地為3-25根/cm。在另一優(yōu)選例中，每一層環(huán)向纖維軌跡層的纖維圈數(shù)為3 1，000圈。在本發(fā)明中，環(huán)向纖維軌跡層可由一根或多根纖維構(gòu)成，較佳地由一根纖維構(gòu)成，即一個環(huán)向纖維軌跡層中的所有環(huán)向纖維由單根纖維形成(尤其是螺旋形環(huán)向纖維軌跡層)。更優(yōu)選地，多個或所有環(huán)向纖維軌跡層是由一根纖維構(gòu)成的。在本發(fā)明中，一種特別優(yōu)選的方式是補強片中的多個或所有的徑向纖維軌跡層和環(huán)向纖維軌跡層都由一根纖維構(gòu)成的。這樣，使得補強片中所有的纖維軌跡是連續(xù)的，從而可以顯著提高強度。
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用于復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的補強片本發(fā)明提供的補強片具有由徑向纖維軌跡層和環(huán)向纖維軌跡層共同組成的纖維軌跡。所述徑向纖維軌跡層和所述的環(huán)向纖維軌跡層與螺栓周圍的復(fù)合材料存在第一重疊區(qū)域，且與螺栓孔部位不存在重疊區(qū)域。所述徑向纖維軌跡層和環(huán)向纖維軌跡層的總體形狀為圍繞開孔的環(huán)形，且纖維軌跡層的內(nèi)沿與開孔的邊緣基本重合。環(huán)向纖維軌跡層的纖維軌跡為圓形、近圓形、橢圓形、近橢圓形、三角形、方形、多邊形(正η邊形，η為大于5的正整數(shù)，如6，8，10，12等)，且環(huán)向纖維軌跡層的纖維軌跡和/或總體性狀的內(nèi)沿與緊固件形狀相同或基本相同。所述的徑向纖維軌跡層具有從中心向外分散的多個徑向纖維軸。較佳地，各徑向纖維層的徑向纖維軸數(shù)量為10 1000根，較佳地為15-100根。所述的環(huán)向纖維軌跡層的纖維軌跡較佳地可為圓形、近圓形、橢圓形、近橢圓形或螺旋線形，且每一層環(huán)向纖維軌跡層的纖維圈數(shù)為3 1，000圈。每層徑向纖維軌跡層或環(huán)向纖維軌跡層由一根或多根纖維構(gòu)成，較佳地，由一根纖維構(gòu)成，更佳地，環(huán)向纖維軌跡層和徑向纖維軌跡層由同一根纖維構(gòu)成。本發(fā)明所提供的補強片的纖維軌跡和復(fù)合材料構(gòu)件承載的主應(yīng)力軌跡一致或基本一致，其中，所述的環(huán)形螺旋線軌跡與復(fù)合材料所受的拉應(yīng)力軌跡一致或基本一致，且所述徑向軌跡與復(fù)合材料所受的壓應(yīng)力軌跡一致或基本一致。在本發(fā)明中，所述的纖維為預(yù)浸基體樹脂纖維束或未浸基體樹脂纖維束，且所述的纖維包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維，陶瓷纖維，天然纖維，或其組合。復(fù)合材料制件的制備
一種通用的具有本發(fā)明的復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料制件制備方法包括以下步驟制備相應(yīng)部位開孔的復(fù)合材料的纖維預(yù)成型體，將本發(fā)明中的補強片固定在復(fù)合材料纖維預(yù)成型體相應(yīng)位置后一體化固化成型，然后通過螺栓將各部件連接；或?qū)⒀a強片固定在已成型的開孔復(fù)合材料制件的相應(yīng)位置，進行二次固化成型后通過緊固件(如螺栓)進行組裝。復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的制備根據(jù)復(fù)合材料層合板上的開孔部位形狀、大小和受力情況，設(shè)計合適的補強片，用制得的補強片對復(fù)合材料層合板開孔部位進行補強后通過緊固件進行連接，從而制得復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所提供的補強片根據(jù)復(fù)合材料構(gòu)件承載時的主應(yīng)力軌跡來設(shè)計，沿著拉應(yīng)力軌跡布置環(huán)向軌跡，沿著壓應(yīng)力軌跡布置徑向軌跡，最后將這些軌跡連成整體，形成補強片的纖維鋪放軌跡，采用纖維絲束按所設(shè)計的軌跡制備補強片。在另一優(yōu)選例中，所述的環(huán)向軌跡與復(fù)合材料所受的拉應(yīng)力軌跡一致或基本一致，且所述徑向軌跡與復(fù)合材料所受的壓應(yīng)力軌跡一致或基本一致。在另一優(yōu)選例中，使用有限元分析軟件(如ANSYS或ABAQUS等)對緊固件連接的復(fù)合材料構(gòu)件進行受力分析，得到開孔周圍的主應(yīng)力分布情況，并根據(jù)開孔周圍的主應(yīng)力矢量分布，用計算機相關(guān)軟件分別描繪拉應(yīng)力和壓應(yīng)力軌跡。在復(fù)合材料層合板的相應(yīng)位置進行機械鉆孔，用補強片對緊固件連接部位的上表面和/或下表面制件進行補強，較佳地，對緊固件連接部位的上表面和下表面均進行補強，且所述補強方法包括步驟(I)(I)在制備復(fù)合材料制件的過程中，當(dāng)制得的復(fù)合材料開孔制件的纖維預(yù)成型體后，將補強片固定到復(fù)合材料纖維預(yù)成型體相應(yīng)位置，然后將補強片與纖維預(yù)成型體一體化固化成型，得到開孔補強的纖維復(fù)合材料開孔制件；或所述補強方法包括步驟(2):(2)將補強片直接固定到已成型的復(fù)合材料制件的緊固件連接部位的表面，然后進行二次固化成型，得到開孔補強的復(fù)合材料開孔制件。將補強后的層合板通過緊固件連接，從而得到相應(yīng)的復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的補強片以及補強方法具有如下優(yōu)點(I)補強片的纖維軌跡接近復(fù)合材料制件承載時的主應(yīng)力軌跡，補強效果優(yōu)異。(2)補強片的設(shè)計和制備相對簡單，設(shè)計周期短，有利于批量化生產(chǎn)，降低成本。(3)補強片可設(shè)計性強，可根據(jù)螺孔的大小和形狀，靈活設(shè)計補強片的尺寸。(4)補強片由纖維絲束直接鋪放而成，無需裁剪，無纖維浪費。(5)補強工藝簡單靈活，既可以與復(fù)合材料制件一起成型，也可以用于開孔制件的后期的修補。(6)補強片的纖維軌跡在各個方向幾乎可呈對稱分布，可以推廣應(yīng)用于各種不同受力情況下開孔構(gòu)件的補強，應(yīng)用前景廣泛。下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。下列實施例中未注明具體條件的實驗方法，通常按照常規(guī)條件，或按照制造廠商所建議的條件。除非另外說明，否則百分比和份數(shù)按重量計算。
實施例首先，制備如圖1所示尺寸的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料螺栓連接試樣。上述玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料螺栓連接試樣的制備方法如下步驟1:在ANSYS或ABAQUS等有限元分析軟件中對緊固件連接的復(fù)合材料構(gòu)件進行受力分析，得到螺孔周圍的主應(yīng)力分布情況。步驟2 :根據(jù)開孔周圍的主應(yīng)力矢量分布，用相關(guān)軟件分別描繪拉應(yīng)力和壓應(yīng)力軌跡。步驟3 :在步驟2得到的主應(yīng)力軌跡的基礎(chǔ)上，沿著拉應(yīng)力軌跡布置環(huán)向近圓形螺旋線軌跡，沿著壓應(yīng)力軌跡布置徑向軌跡，最后將這些軌跡連成整體，形成補強片的纖維鋪放軌跡，如附圖2所示。步驟4 :按步驟3所設(shè)計的軌跡，采用縫合線或粘合劑固定纖維絲束制備補強片，制得的補強片如附圖3所示。步驟5 :以8層EW400-1000玻璃纖維平紋布作為母體(即復(fù)合材料纖維預(yù)成型體)，以雙面面外補強的方式將步驟4制得的補強片固定到母體纖維布相應(yīng)位置，如附圖4所示。采用真空輔助樹脂注射成型工藝(Vacuum Assisted ResinInfusion,簡稱VARI)注入環(huán)氧樹脂體系(環(huán)氧樹脂AEP312A和固化劑AEP312B的質(zhì)量配比為2:1)制備成玻璃纖維絲束補強的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板，固化條件為90°C，2h。步驟6 :將制得復(fù)合材料層合板切割成圖1所示尺寸的試樣，并進行機械鉆孔。用螺栓將鉆好孔的試樣連接起來形成復(fù)合材料連接試樣。將上述制得的試樣在萬能試驗機上進行拉伸測試，得到復(fù)合材料螺栓連接的極限連接載荷。對比實施例1 : 本實施例中，首先制備如圖1所示尺寸的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料螺栓連接試樣。上述玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料螺栓連接試樣的制備方法如下步驟1:采用8層EW400-1000玻璃纖維平紋布，通過真空輔助樹脂注射成型工藝(Vacuum Assisted Resin Infusion,簡稱VARI)注入環(huán)氧樹脂體系(環(huán)氧樹脂AEP312A和固化劑AEP312B的質(zhì)量配比為2:1)制備成玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板，固化條件為 90°C，2h。步驟2 :將制得復(fù)合材料層合板切割成圖1所示尺寸的試樣，并進行機械鉆孔。步驟3 :用螺栓將鉆好孔的試樣連接起來形成復(fù)合材料螺栓連接試樣。將上述制得的試樣在萬能試驗機上進行拉伸測試，得到復(fù)合材料螺栓連接的極限連接載荷。對比實施例2:本實施例中，首先制備如圖1所示的尺寸的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料螺栓連接試樣。上述玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料螺栓連接試樣的制備方法如下步驟1:采用兩層EW400-1000玻璃纖維平紋布制備形狀如圖5所示的玻璃纖維布補強片；步驟2 :以8層EW400-1000玻璃纖維平紋布作為母體(即復(fù)合材料纖維預(yù)成型體)，將步驟I制得的補強片以雙面面外補強的方式固定到母體纖維布相應(yīng)位置，如附圖4所示。采用真空輔助樹脂注射成型工藝(Vacuum Assisted ResinInfusion,簡稱VARI)注入環(huán)氧樹脂體系(環(huán)氧樹脂AEP312A和固化劑AEP312B的質(zhì)量配比為2:1)制備成玻璃纖維平紋布補強的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板，固化條件為90°C，2h。步驟3 :將制得復(fù)合材料層合板切割成圖1所示尺寸的試樣，并進行機械鉆孔。步驟4 :用螺栓將鉆好孔的試樣連接起來形成復(fù)合材料螺栓連接試樣。將上述制得的試樣在萬能試驗機上進行拉伸測試，得到復(fù)合材料螺栓連接的極限連接載荷。實驗結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合材料制件，其特征在于，所述制件是具有增強開孔的復(fù)合材料制件，所述的增強開孔是用補強片進行補強的開孔，其中所述補強片包括迭放在一起的徑向纖維軌跡層和環(huán)向纖維軌跡層，其中，所述徑向纖維軌跡層與緊固件周圍的復(fù)合材料存在第一重疊區(qū)域而與緊固件開孔區(qū)域不存在重疊區(qū)域；所述環(huán)向軌跡層與緊固件周圍的復(fù)合材料存在第二重疊區(qū)域而與緊固件開孔區(qū)域不存在重疊區(qū)域；且所述徑向纖維軌跡層的中心與所述環(huán)向纖維軌跡層的中心基本重合。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料制件，其特征在于，所述徑向纖維軌跡層總體形狀為圍繞開孔的環(huán)形。
3.一種復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括1)第一制件，所述第一制件是具有增強開孔的復(fù)合材料制件，所述的增強開孔是用補強片進行補強的開孔，其中所述補強片由徑向纖維軌跡層和環(huán)向纖維軌跡層的未浸或預(yù)浸樹脂的增強纖維絲束構(gòu)成；2)緊固件，所述緊固件通過上述開孔將所述第一制件連接或固定于第二制件或者第二組件。
4.一種制備權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料制件的方法，其特征在于，包括步驟(a)在制備復(fù)合材料開孔制件的過程中，當(dāng)制得的纖維復(fù)合材料開孔制件的纖維預(yù)成型體后，將補強片鋪放在纖維預(yù)成型體的開孔部位，然后將補強片與纖維預(yù)成型體一體化固化成型，得到開孔補強的纖維復(fù)合材料開孔制件；或所述方法包括步驟(b)(b)將補強片直接鋪放在已成型的復(fù)合材料開孔制件的開孔部位的表面，然后進行二次固化成型，得到開孔補強的復(fù)合材料開孔制件。
5.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述制件是具有增強開孔的復(fù)合材料制件，所述的增強開孔是用補強片進行補強的開孔，其中，所述補強片包括迭放在一起的徑向纖維軌跡層和環(huán)向纖維軌跡層；其中，所述徑向纖維軌跡層與緊固件周圍的復(fù)合材料存在第一重疊區(qū)域而與緊固件開孔區(qū)域不存在重疊區(qū)域；所述環(huán)向軌跡層與緊固件周圍的復(fù)合材料存在第二重疊區(qū)域而與緊固件開孔區(qū)域不存在重疊區(qū)域；且所述徑向纖維軌跡層的中心與所述環(huán)向纖維軌跡層的中心基本重合。
6.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述補強片通過包含下列步驟的途徑制備i)對緊固件連接的復(fù)合材料構(gòu)件進行受力分析，得到螺孔周圍的主應(yīng)力分布情況； )根據(jù)螺孔周圍的主應(yīng)力分布，用相關(guān)軟件分別描繪拉應(yīng)力和壓應(yīng)力軌跡；iii)在得到的主應(yīng)力軌跡的基礎(chǔ)上，沿著拉應(yīng)力軌跡布置環(huán)向軌跡，沿著壓應(yīng)力軌跡布置徑向軌跡，將這些軌跡連成整體，形成補強片的纖維鋪放軌跡；iv)按照所設(shè)計的纖維絲束軌跡、幾何形狀及尺寸，采用縫合線或粘合劑將纖維絲束固定在底材上，制得所需的補強片。
7.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述方法包括用有限元分析軟件進行受力分析，用相關(guān)軟件描繪應(yīng)力的受力情況，從而設(shè)計補強片的纖維軌跡。
8.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述補強片的纖維是預(yù)浸基體樹脂纖維束或未浸基體樹脂纖維絲束，且所述的纖維選自下組玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維、陶瓷纖維、天然纖維或其組合。
9.如權(quán)利要求4-8中任一所述的制備方法，其特征在于，所述補強片的預(yù)浸樹脂基體選自環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、陰離子開環(huán)聚合聚酰胺類樹脂、聚對苯二甲酸環(huán)丁二醇酯樹月旨、聚丙烯樹脂、聚乙烯樹脂、聚酰胺樹脂、聚苯硫醚樹脂、聚醚醚酮樹脂、聚乳酸樹脂、聚醚酰亞胺樹脂，或聚酰亞胺樹脂。
10.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述復(fù)合材料制件的樹脂基體選自不飽和樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯類樹脂、聚氨酯樹脂、陰離子開環(huán)聚合聚酰胺類樹脂、聚對苯二甲酸環(huán)丁二醇酯樹脂、聚丙烯樹脂、聚乙烯樹脂、聚酰胺樹脂、聚苯硫醚樹脂、聚醚醚酮樹月旨、聚乳酸樹脂、聚醚酰亞胺樹脂，或聚酰亞胺樹脂。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)。具體地，本發(fā)明提供了一種根據(jù)復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)承載的主應(yīng)力設(shè)計纖維軌跡制得的補強片及其制備方法。與現(xiàn)有技術(shù)中的普通纖維織物補強片相比，該補強片具有設(shè)計簡便、補強效果優(yōu)異、無需裁剪、適合于批量化生產(chǎn)等優(yōu)點。使用該補強片對復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)開孔部位進行補強，成型工藝簡單靈活，大大提高了補強效率，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號B29C70/08GK103042698SQ201210457648
公開日2013年4月17日 申請日期2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月13日
發(fā)明者秦永利, 祝穎丹, 蔡晶, 滑聰, 孟令軍, 范欣愉 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所