專利名稱：仿東方龍虱鞘翅板及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輕質(zhì)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，具體指的是一種仿東方龍虱鞘翅板及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對材料的強(qiáng)重比、剛重比、耐損傷等性能提出了更高的要求；輕質(zhì)高強(qiáng)耐損傷一直是軌道交通、汽車船舶以及航空航天材料和結(jié)構(gòu)研制追求的目標(biāo)。輕量化對于能源節(jié)約與減小環(huán)境污染有著重要意義。采用輕合金材料、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的主要途徑。前者如鈦合金、鋁合金、鎂合金等，但這些材料的允許工作溫度較低，而且提升空間有限；后者如蜂窩結(jié)構(gòu)、皺褶結(jié)構(gòu)、泡沫金屬、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等，可用材料的選擇范圍較廣，強(qiáng)度、剛度、傳熱、材料拓?fù)涞染勺兓?，但制造工藝?fù)雜。

目前在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備方面，檢索近年來的專利情況，美國專利USpatent7738691描述了一種仿貝殼輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計方法及步驟,但沒有討論仿生結(jié)構(gòu)的制備方法及材料；美國專利US patent7255916提出了一種玄武巖纖維增強(qiáng)的金屬層狀結(jié)構(gòu)材料，可用于航空業(yè)，其主要優(yōu)勢是耐損傷；美國專利US patent7285326描述了一種飛機(jī)機(jī)身外蒙皮內(nèi)表面的縱、橫桁架加強(qiáng)筋板的設(shè)計方法，在實(shí)現(xiàn)整體機(jī)身減重的同時，還能夠阻止疲勞裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展；美國專利US patent7255738描述了一種夾雜有聚合物泡沫粒子的輕質(zhì)水泥復(fù)合材料的制備方法，粒子外表面被覆分散劑，從而阻止靜電吸引產(chǎn)生的粒子團(tuán)聚。蜂窩結(jié)構(gòu)是一種應(yīng)用最為廣泛的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，國內(nèi)在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的專利主要集中于對現(xiàn)有蜂窩板的改進(jìn)設(shè)計及制備方法，例如中國專利CN201080052562.0描述了一種基于碳纖維紙的蜂窩芯，該蜂窩芯由包含20-85%重量的碳纖維絮狀物紙材制成，碳纖維具有至少1.5: I的非圓形截面寬高比。紙材具有至少35%的纖維體積分?jǐn)?shù)。專利CN03116503.6和專利CN201210119212.2分別提出了不同的兩種蜂窩結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)方式。專利CN03116503.6的多邊形柵格特征在于沿著柵格壁交匯處設(shè)有加強(qiáng)柱。該結(jié)構(gòu)能有效地減少應(yīng)力集中，大大提高抗壓強(qiáng)度、抗扭曲強(qiáng)度及上層或下層層間的抗剝離強(qiáng)度；專利CN201210119212.2描述的蜂窩結(jié)構(gòu)具有由隔壁包圍的六邊形單元格以及覆蓋蜂窩結(jié)構(gòu)的筒形外周壁。隔壁具有邊部和交點(diǎn)。六個邊部形成六邊形單元格。另外，專利CN201110209742.1提出了一種漢麻雙面蜂窩呢，屬于紡織面料領(lǐng)域；CN201080016249.1描述了一種能夠由壓緊形式向展開形式展開的蜂窩板，CN201210273562.4提出了一種真空復(fù)合蜂窩板生產(chǎn)工藝。綜上，目前輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)存在的主要問題包括以下幾方面:①結(jié)構(gòu)材料需進(jìn)一步輕量化，如以非金屬材料完全代替金屬材料；②芯體結(jié)構(gòu)與上、下面板的結(jié)合面強(qiáng)度較弱，如目前廣泛應(yīng)用的蜂窩板，蜂窩芯體與上、下面板相當(dāng)于線接觸，聯(lián)接強(qiáng)度較弱；③結(jié)構(gòu)材料的比強(qiáng)度和比模量需進(jìn)一步提高。采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，并實(shí)現(xiàn)纖維的連續(xù)性和多樣化鋪設(shè)，有助于在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時，提高結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能。但目前廣泛使用的蜂窩板常用材料仍為鋁蜂窩或復(fù)合材料，即上、下面板為碳/環(huán)氧復(fù)合材料，芯體仍為鋁蜂窩材料?？梢?，輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)在幾何構(gòu)形設(shè)計方面迫切需要源創(chuàng)的理念。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種適用于工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)減重，基于樹脂基碳纖維復(fù)合材料的仿東方龍虱鞘翅輕質(zhì)板及其制備方法。本發(fā)明的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)是一種仿東方龍虱鞘翅板，包括上面板、下面板和空腔芯板，空腔芯板包括上波紋板和下波紋板，其中上波紋板和下波紋板對稱粘接，形成若干腰形包絡(luò)空腔，腰形包絡(luò)腔體中還嵌套有腰形芯管。腰形芯管、上波紋板和上面板之間為面接觸，腰形芯管、下波紋板和下面板之間為面接觸。上面板、上波紋板和下波紋板、下面板均為若干層樹脂基碳纖維預(yù)浸料布模壓固化成型的薄板，上述腰形芯管為若干層樹脂基碳纖維預(yù)浸料布模壓固化成型的空心芯管。纖維分布方式與纖維層數(shù)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明的一種仿東方龍虱鞘翅板的制備方法，其特征在于包括以下過程:步驟1、將若干層經(jīng)緯層壓的碳纖維預(yù)浸布纏繞在芯管芯模上，利用芯管模具的型腔壓緊成型，力口熱固化后形成腰形芯管，然后取出芯管芯模；其中芯管芯模包括芯管左芯模、芯管中芯模、芯管右芯模，芯管芯模還包括用于將芯管左芯模、芯管中芯模、芯管右芯模連接的聯(lián)接銷，芯管芯模還包括用于將芯管左芯模，芯管中芯模，芯管右芯模定位于芯管模具上的第一定位銷；其中芯管模具由芯管上模具和芯管下模具組成；步驟2、將若干層下碳纖維預(yù)浸料布、腰形芯管、若干層上碳纖維預(yù)浸料布依次平鋪于波紋板模具中，通過粘結(jié)劑共固化成型，形成由上波紋板、腰形芯管和下波紋板組成的空腔芯板；上述波紋板模具包括上壓板、波紋板上模具、波紋板下模具、下壓板，以及將波紋板上模具和波紋板下模具定位于上壓板和下壓板中的第二定位銷和擋塊；步驟3、將空腔芯板與若干層樹脂基碳纖維預(yù)浸料布粘接形成的上面板、若干層樹脂基碳纖維預(yù)浸料布粘接形成的下面板共固化成型。本發(fā)明所述的一種仿東方龍虱鞘翅板，其特征在于:上面板(I)和下面板(5)為曲面板或平板。本發(fā)明與現(xiàn)有的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料相比有如下優(yōu)點(diǎn):1.本發(fā)明所述的仿東方龍虱鞘翅板是一種具有空腔、孔洞的層狀復(fù)合輕質(zhì)板。其中，腰形芯管、上波紋板和上面板之間為面接觸，腰形芯管、下波紋板和下面板之間為面接觸。這種面面接觸通過增加界面的聯(lián)接面積可有效提高界面間的結(jié)合強(qiáng)度；2.本發(fā)明所述的仿東方龍虱鞘翅板，材料選用樹脂基碳纖維預(yù)浸料布，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)材料的輕量化。同時，上波紋板和下波紋板纖維連續(xù)分布，有效提高了結(jié)構(gòu)的抗拉、抗剪和抗剝離強(qiáng)度；各層的纖維鋪設(shè)方式可根據(jù)實(shí)際受載情況進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部或整體力學(xué)性能的提高，避免了采用局部材料堆積，即增加結(jié)構(gòu)重量來提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的缺點(diǎn)；3.本發(fā)明所述的仿東方龍虱鞘翅板的芯管在加熱固化時，由于芯管芯模采用分離組合模芯，模芯間的空隙提供了模芯受熱后的變形空間，減小了模腔內(nèi)的壓力，有效避免了芯管的變形；同時，芯管在脫模時采用分模方法，保證芯管脫模后表面光滑平整，沒有明顯接痕；4.本發(fā)明所述的仿東方龍虱鞘翅板上面板、下面板可設(shè)計成如甲蟲鞘翅有一定曲度的面板，這樣可進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的抗壓性能和抗變形能力。

輕質(zhì)結(jié)構(gòu)在幾何構(gòu)形設(shè)計方面具有非常廣泛的開發(fā)空間。本發(fā)明從仿生學(xué)的角度出發(fā)，通過對東方龍虱鞘翅斷面微觀結(jié)構(gòu)的研究得到啟示，基于樹脂基碳纖維復(fù)合材料，設(shè)計、制備了一種多層纖維連續(xù)圓形空腔結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于三明治結(jié)構(gòu)的芯體部分，能夠使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大大提高，同時還可以通過改變芯管或波紋板纖維分布方式進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗壓、抗剪力學(xué)性能，以提高結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。此外，由于空腔、孔洞的存在，結(jié)構(gòu)還具有一定的隔熱、散熱功能。上述仿生輕質(zhì)板的芯體是一種波紋板與芯管的嵌套結(jié)構(gòu)，具有良好的抗壓、抗剪和抗扭曲強(qiáng)度。所述結(jié)構(gòu)是一種高比強(qiáng)度和高比剛度的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，在軌道交通、汽車船舶以及航空航天等高新技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)纖維分布示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的制備芯管模具結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的制備波紋板芯體模具結(jié)構(gòu)示意圖；圖5仿東方龍虱鞘翅板結(jié)構(gòu)及幾何尺寸；圖6對比用鋁蜂窩板結(jié)構(gòu)及幾何尺寸；圖中標(biāo)號名稱:1.上面板，2.上波紋板，3.腰形芯管，4.下波紋板，5.下面板，6.聯(lián)接銷，7.第一定位銷，8.芯管上模具，9.芯管下模具，10.芯管右芯模，11.芯管中芯模，12.芯管左芯模，13.下壓板，14.擋塊，15.第二定位銷，16.上壓板，17.波紋板上模具，18.層壓預(yù)浸料布，19.芯管芯模，20.波紋板下模具
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，本實(shí)例為一種仿東方龍虱鞘翅板，示意圖以及結(jié)構(gòu)的纖維分布方式示意圖分別如圖1、圖2。該輕質(zhì)結(jié)構(gòu)是由面板和空腔芯體組 成，五層碳纖維預(yù)浸料布組成的芯管空腔形狀是由四段對稱圓弧面和兩段粘接平面構(gòu)成，芯管外側(cè)是將各芯管組合在一起的三層碳纖維的波紋板，其纖維分布方式及尺寸如圖2，圖中表示纖維沿周向分布，“ X ”表示纖維垂直紙面鋪設(shè)。纖維是0°、90°經(jīng)緯交錯分布鋪設(shè)。在上述實(shí)施例中，原材料選用環(huán)氧樹脂基碳纖維預(yù)浸料布，現(xiàn)對制備流程和模具設(shè)計說明如下:其制備過程包括手工鋪層，模壓成型和共固化膠接成形等步驟。具體的，制備過程主要分為三步:①首先制作碳纖維芯管，如圖3，將三層經(jīng)緯層壓的預(yù)浸布纏繞在模芯上，通過模具的型腔壓緊成型，加熱固化后，取出碳纖維芯管；②制作纖維連續(xù)圓形空腔結(jié)構(gòu)芯體，將制備好的碳纖維圓管作為成型模芯，將層疊好的預(yù)浸料布，通過模具成型為波紋板，和碳纖維芯管一起加熱固化，脫模后獲得芯體結(jié)構(gòu)；③芯體和預(yù)浸料面板共固化成型。模具設(shè)計主要包括芯管模具和芯板模具:1)芯管模具結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3，芯模分為芯管左芯模12、芯管中芯模11、芯管右芯模10三部分；芯模之間靠聯(lián)接銷6保證芯管內(nèi)表面形狀，通過定位銷7保證芯管在模具型腔內(nèi)的位置。2)芯體模具結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)構(gòu)示意圖如圖4，波紋板采用一套組合模具成型，包括波紋板上模具17和波紋板下模具20，組合模具之間采用定位銷15和擋塊14定位。本發(fā)明所述的仿東方龍虱鞘翅板中纖維分布方式并不僅局限于實(shí)施例，可根據(jù)實(shí)際受力情況在纖維層數(shù)和纖維纏繞、交錯分布方式等方面進(jìn)行調(diào)整。仿生結(jié)構(gòu)的制備工藝也可根據(jù)數(shù)量規(guī)模做相應(yīng)調(diào)整，如選擇預(yù)浸料布剪裁或纖維自動鋪放纏繞設(shè)備等。本發(fā)明實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)的孔隙率為70%，比重為0.43。制備仿東方龍虱鞘翅板試樣,尺寸如圖 5 所不。圖中，尺寸參數(shù) B=26mm, W=25mm,H=9.3mm, t=0.13mm, R=4mm, Θ =75° ,L=2.04mm,D=2mm。通過萬能試驗(yàn)機(jī)(長春試驗(yàn)機(jī)研究所，DNS系列)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)構(gòu)受垂直面板的壓縮載荷作用時，其平面壓縮比強(qiáng)度為20.8Mpa/ (g.cm-3),比模量為
6.5Mpa/ (g*c nT3)。相同孔隙率的鋁蜂窩結(jié)構(gòu)(面板為碳/環(huán)氧復(fù)合材料)的尺寸如圖6所不，圖中參數(shù)為 B' = 7.44mm, W' = 8.6mm, L' =2.48mm, H' =4.96mm, t' = 0.12mm。米用有限元法分析得仿東方龍虱鞘翅板沿芯孔軸向的壓縮比強(qiáng)度為289Mpa/ (g.cm_3)，比模量為425.5Mpa/ (g.cm_3)，分別是上述鋁蜂窩板平面壓縮比強(qiáng)度和比模量的8.3倍和6.2倍。
權(quán)利要求
1.一種仿東方龍虱鞘翅板，包括上面板(I)、下面板(5)和空腔芯板，其特征在于 上述空腔芯板包括上波紋板(2)和下波紋板(4)，其中上波紋板和下波紋板對稱粘接，形成若干腰形包絡(luò)空腔，腰形包絡(luò)腔體中還嵌套有腰形芯管(3)； 上述腰形芯管(3)、上波紋板(2)和上面板(I)之間為面接觸，腰形芯管(3)、下波紋板(4)和下面板(5)之間為面接觸； 上述上面板(I)、上波紋板(2)、下波紋板(4)、下面板(5)均為若干層樹脂基碳纖維預(yù)浸料布模壓固化成型的薄板，上述腰形芯管(3)為若干層樹脂基碳纖維預(yù)浸料布模壓固化成型的空心芯管。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種仿鞘翅板，其特征在于上述上面板(I)、上波紋板(2)、腰形芯管(3)、下波紋板(4)，下面板(5)通過粘結(jié)劑共固化成型。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種仿東方龍虱鞘翅板，其特征在于上面板(I)和下面板(5)為曲面板或平板。
4.權(quán)利要求I所述的仿東方龍虱鞘翅板的制備方法，其特征在于包括以下過程 步驟I、將若干層經(jīng)緯層壓的碳纖維預(yù)浸布纏繞在芯管芯模上，利用芯管模具的型腔壓緊成型，加熱固化后形成腰形芯管(3)，然后取出芯管芯模；其中芯管芯模包括芯管左芯模(12)、芯管中芯模(11)、芯管右芯模(10)，芯管芯模還包括用于將芯管左芯模(12)、芯管中芯模(11)、芯管右芯模(10)連接的聯(lián)接銷(6)，芯管芯模還包括用于將芯管左芯模(12)、芯管中芯模(11)、芯管右芯模(10)定位于芯管模具上的第一定位銷(7);其中芯管模具由芯管上模具(8)和芯管下模具(9)組成； 步驟2、將若干層下碳纖維預(yù)浸料布、腰形芯管(3)、若干層上碳纖維預(yù)浸料布依次平鋪于波紋板模具中，，通過粘結(jié)劑共固化成型，形成由上波紋板(2)、腰形芯管(3)和下波紋板(4)組成的空腔芯板；上述波紋板模具包括上壓板(16)、波紋板上模具(17)、波紋板下模具(20)、下壓板(13)，以及將波紋板上模具(17)和波紋板下模具(20)定位于上壓板(16)和下壓板(13)中的第二定位銷(15)和擋塊(14); 步驟3、將空腔芯板與若干層樹脂基碳纖維預(yù)浸料布粘接形成的上面板(I)、若干層樹脂基碳纖維預(yù)浸料布粘接形成的下面板(5)共固化成型。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種仿東方龍虱鞘翅輕質(zhì)板及其制備方法，屬于輕質(zhì)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。它包括上面板(1)、下面板(5)和空腔芯板，其特征在于上述空腔芯板包括上波紋板(2)和下波紋板(4)，其中上波紋板和下波紋板對稱粘接，形成若干腰形包絡(luò)空腔，腰形包絡(luò)腔體中還嵌套有腰形芯管(3)；上述腰形芯管(3)、上波紋板(2)和上面板(1)之間為面接觸，腰形芯管(3)、下波紋板(4)和下面板(5)之間為面接觸；上述上面板(1)、上波紋板(2)、下波紋板(4)、下面板(5)均為若干層樹脂基碳纖維預(yù)浸料布模壓固化成型的薄板，上述腰形芯管(3)為若干層樹脂基碳纖維預(yù)浸料布模壓固化成型的空心芯管。本發(fā)明有效地提高了芯板的整體性和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的抗壓和抗剪強(qiáng)度。
文檔編號B29C33/76GK103252929SQ20131018660
公開日2013年8月21日 申請日期2013年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月16日
發(fā)明者郭策, 俞志偉, 李冬, 朱春生, 戴振東 申請人:南京航空航天大學(xué)