一种飞机柔性复合材料蒙皮及其制备方法与流程

本发明提供了一种飞机柔性复合材料蒙皮及其制备方法，属于复合材料结构设计与制造技术领域。

背景技术：

传统飞机设计通常主要针对某种特定的飞行状态进行设计，使在该飞行状态下飞机具有优异的飞行性能，但同时也会造成飞机在其他飞行状态下的性能不够出色。随着飞机设计经验的增加和科学技术的不断发展，人们为了解决这一问题提出了变体飞机的概念，即通过在空中主动改变机翼气动外形，使得飞机能在各种状况下都能达到最佳的飞行性能。传统飞机蒙皮通常为金属材料的刚性蒙皮，这种蒙皮无法实现光滑连续的变形，通常只能进行简单的整体变形控制(机翼翘曲等)。因此要使飞机能在空中改变气动外形，传统的刚性蒙皮就不再适用，研究人员针对这一问题提出了柔性蒙皮的概念。柔性蒙皮指通过对飞机蒙皮内部结构和成分的进行设计，具备足够的变形能力以满足机翼的变形要求的蒙皮，但同时柔性蒙皮也需要具备足够的刚度以维持机翼外形并承受一定的气动载荷。目前在柔性复合材料蒙皮的研究中，已经提出了多种解决方案。主要的设计思路主要包括：在飞机蒙皮内部通过蜂窝、波纹等结构自身的特性实现变形；制造柔性基纤维增强复合材料，利用复合材料的性能特性实现变形等。但在目前已提出的柔性蒙皮方案中普遍存在难以兼顾面内柔性和面外刚性的问题，即面内变形能力较强的飞机蒙皮，其面外法向承载能力往往较弱；而面外法向承载能力较强的飞机蒙皮，其面内变形能力较弱。

技术实现要素：

本发明旨在提出一种新的飞机柔性复合材料蒙皮设计方案及其制备方法，以解决目前飞机柔性复合材料蒙皮普遍存在的难以兼顾面内柔性和面外刚性的问题。

本发明采用的技术方案如下：

1)飞机柔性复合材料蒙皮的实现原理

本发明的飞机柔性复合材料蒙皮主体由蒙皮表面、波纹结构以及相变材料(如电流变液或形状记忆聚合物)组成，利用相变材料可以在主动控制下实现固体与液体之间的变化,或者玻璃态与橡胶态的变化,实现飞机柔性复合材料蒙皮刚度和变形能力的统一。

在飞机柔性复合材料蒙皮的波纹结构和蒙皮外表面间形成的空腔中填充相变材料，飞机在正常飞行过程中对机翼内相变材料进行主动控制(如对电流变液通电施加电场)，此时相变材料状态为固态，可以有效的维持机翼气动外形。当飞机在飞行途中需要改变机翼形状时，根据所选相变材料特性使其从固态变为液态，或者或者玻璃态与橡胶态的变化,此时相变材料不再承载，飞机柔性复合材料蒙皮刚度显著降低，因此可以很好的实现变形功能，当完成变形后再次控制相变材料状态维持新的外形。此外考虑到该飞机柔性复合材料蒙皮结构在变形过程中内部空腔体积会发生改变，因此在机翼内部需要增加相变材料体积控制装置以保证相变材料始终能充满空腔。

内部的波纹材料所选用的复合材料由增强材料和聚合物材料组成，蒙皮表面使用橡胶材料，在进行较大变形时为飞机柔性复合材料蒙皮提供光滑连续的气动外形。

本发明提出的飞机柔性复合材料蒙皮的设计方案利用相变材料的特性使柔性蒙皮存在两种状态，一种易于变形，一种可有效承载。飞机在飞行过程中可针对不同的需求在两种状态间相互转化，从而解决了飞机柔性复合材料蒙皮难以兼顾面内柔性和面外刚性的问题，具有结构简单、易于操控的特点。此外，本发明所需制备技术均已发展的较为完善，因此易于实现，具有良好的工程应用价值。

2)飞机柔性复合材料蒙皮的制备方法

制作步骤如下：

步骤一、确定制作飞机柔性复合材料蒙皮的组成材料，包括复合材料组分、橡胶种类和相变材料种类。

步骤二、确定复合材料固化方法以及波纹结构与蒙皮表面的结合方式。

步骤三、使用所选材料制备波纹结构，蒙皮表面。

步骤四、将波纹结构与蒙皮表面利用胶黏剂进行粘接在一起。

步骤五、在中间空腔内填充所选取的电流变液或者形状记忆聚合物，封闭空腔,最终得到本发明的飞机柔性复合材料蒙皮。

其中，步骤一中所述的“复合材料组分”包括聚合物材料和增强材料，聚合物材料为环氧树脂、苯乙烯、苯乙烯-丁二烯、反式聚异戊二烯、氰酸酯、聚氨酯、聚降冰片烯、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、聚酰胺、聚苯硫醚、聚芳醚酮、聚乙烯醇，增强材料为碳纤维、玻璃纤维、kevlar纤维、硼纤维、植物纤维或以上纤维织物或以上纤维的短切纤维，以及微米或纳米级的碳粉、碳纳米颗粒或碳纳米管。

其中，步骤一中所述“相变材料成分”包括电流变液、形状记忆聚合物。

其中，步骤二中所述的“固化成型方法”包括树脂传递模塑成型方法、真空辅助树脂注塑成型方法、热膨胀树脂传递模塑成型方法、气囊压制法、增强热固性树脂注射成型、热压罐法、真空袋法、结构反应注射成型方法或模压法。

其中，步骤四中所述的“胶黏剂”包括环氧树脂胶黏剂、环氧酚醛胶黏剂、聚酰亚胺胶黏剂、酚醛树脂胶黏剂或有机硅树脂胶黏剂，具体选择何种类型的胶黏剂主要根据所选择组分材料中的聚合物材料确定，即胶黏剂固化的条件尤其是固化温度要与组分材料中的聚合物材料相匹配。

附图说明

图1是飞机柔性复合材料蒙皮初始状态的主视示意图。

图2是飞机柔性复合材料蒙皮展开后的主视图。

图3是飞机柔性复合材料蒙皮的等轴侧视示意图。

图4是柔性复合材料蒙皮的制备方法的流程。

图1：1.蒙皮表面，2.波纹结构，3.电流变液。

图2中：4.易变形区(1)，5.易变形区(2)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

本发明提出了一种新型飞机柔性复合材料蒙皮设计方案，与以往飞机柔性复合材料蒙皮方案的主要区别在于：本发明并非仅利用结构本身同时实现承载和变形，选择通过在蒙皮表面1和波纹结构2间的空间填充相变材料3，让结构自身仅实现变形和容纳相变材料3的作用，而承载则是通过对相变材料3进行控制使其状态转为固态实现。通过相变材料3自身的不同状态在使该飞机柔性复合材料蒙皮拥有两种状态。相变材料3为固态或玻璃态时，飞机柔性复合材料蒙皮刚度大，抗变形能力强，可以保持一个良好的气动外形；相变材料3为液态或橡胶态时，飞机柔性复合材料蒙皮拥有良好的变形能力，可以通过机翼内部的传动机构改变机翼形状，以更好的适应当前的飞行状态。

本发明的飞机柔性复合材料蒙皮主要由三个部分组成，包括蒙皮表面1，波纹结构2，相变材料3(如图1所示)。波纹结构初始形状为倒梯形(如图1所示)，在飞行过程中，飞机可通过电激励实现电流变液固态转为液态，或者由玻璃态转变为橡胶态,由传动装置对波纹结构进行拉伸或压缩以控制该飞机柔性复合材料蒙皮形状变化，拉伸后横截面形状如图2所示。在飞机柔性复合材料蒙皮变形过程中，主要靠波纹结构的易变形区(1)4、易变形区(2)5的展开和收缩来使结构形状发生变化，因此图2中的易变形区(1)4、易变形区(2)5区域必须易于折叠与展开。为了达到这一要求，在制备波纹结构时要将图2中的易变形区(1)4、易变形区(2)5的厚度减薄并添加圆角，使得在变形过程中波纹结构能易于展开且不会发生破坏，具体几何形状与尺寸可借助有限元方法进行分析和设计。另一方面，在拉伸过程中要求飞机柔性复合材料蒙皮表面要拥有较大的变形能力，因此需要选取可以产生大变形而不破坏的树脂材料。同时，考虑到在结构变形过程中中间腔体的体积也会发生改变，应在蒙皮两侧或下方设置相变材料体积的控制装置，在变形过程中控制相变材料的增加与减少，使相变材料始终充满波纹结构腔体内部。此外，为控制相变材料的固体与液体转化，或者玻璃态与橡胶态之间转化,需要在波纹结构上添加控制装置控制相变材料的状态转变。

本发明的波纹结构所选用的复合材料由增强材料和聚合物材料组成，复合材料必须具有大变形能力，其组分材料中的聚合物材料可以不具有形状记忆特性，也可以具有形状记忆特性。如果选用不具有形状记特性的聚合物材料制备本发明的柔性蒙皮内部结构，则利用弹性形变实现柔性蒙皮的重复变形功能；如果选用具有形状记忆特性的聚合物材料制备本发明的柔性蒙皮，则利用聚合物材料自身的形状记忆特性实现柔性能力的重复变形功能。聚合物材料为环氧树脂、苯乙烯、苯乙烯-丁二烯、反式聚异戊二烯、氰酸酯、聚氨酯、聚降冰片烯、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、聚酰胺、聚苯硫醚、聚芳醚酮或聚乙烯醇，增强材料为碳纤维、玻璃纤维、kevlar纤维、硼纤维、植物纤维或以上纤维织物或以上纤维的短切纤维，以及微米或纳米级的碳粉、碳纳米颗粒或碳纳米管。

本发明的飞机柔性复合材料蒙皮的制备方法的流程如图4所示，首先确定用于制备波纹结构的复合材料组分、柔性蒙皮表面的橡胶种类及相变材料成分，根据所选复合材料和橡胶材料组分确定波纹结构固化成型方法以及与蒙皮表面部分的结合方式，在此基础上制备波纹结构以及蒙皮表面，将波纹结构与蒙皮表面组合，形成的飞机柔性复合材料蒙皮的基本结构，在波纹结构上安装控制装置，最后在波纹结构和蒙皮表面的空腔内注入相变材料，并且在两侧或底部安置相变材料体积控制装置即可得到本发明的飞机柔性复合材料蒙皮。

步骤一、确定制作飞机柔性复合材料蒙皮的组成材料，包括复合材料组分(增强体和基体材料)、橡胶种类和相变材料成分。

其中，步骤一中所述“相变材料成分”包括电流变液、形状记忆聚合物。

步骤二、确定复合材料固化成型方法以及波纹结构与蒙皮表面的结合方式。

其中，在步骤二中所述的“固化成型方法”为树脂传递模塑成型方法、真空辅助树脂注塑成型方法、热膨胀树脂传递模塑成型方法、气囊压制法、增强热固性树脂注射成型、热压罐法、真空袋法、结构反应注射成型方法或模压法。

步骤三、使用所选材料制备波纹结构2和柔性蒙皮表面1。

步骤四、将波纹结构2与蒙皮表面1通过胶黏剂进行粘接，形成飞机柔性复合材料蒙皮的基本结构。

其中，在步骤四中所述的“胶黏剂”为环氧树脂胶黏剂、环氧酚醛胶黏剂、聚酰亚胺胶黏剂、酚醛树脂胶黏剂或有机硅树脂胶黏剂，具体选择何种类型的胶黏剂主要根据所选择组分材料中的聚合物材料确定，即胶黏剂固化的条件尤其是固化温度要与组分材料中的聚合物材料相匹配。

步骤五、在空腔内填充所选取的相变材料，封闭空腔,最终得到本发明的飞机柔性复合材料蒙皮。