一种类桁架复合材料点阵夹芯结构的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明具体涉及一种类桁架复合材料点阵夹芯结构的制备方法。
【背景技术】
[0002] 复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观 (微观）上组成具有新性能的材料。复合材料具有许多其他材料不具备的优点，如高比强 度、高比模量、可设计性好、制造工艺简单、热稳定性好和高温性能好，不同种类的复合材料 还具有不同的优良性能，例如抗疲劳性、抗冲击性、透电磁波性、减振阻尼性和耐腐蚀性等。 复合材料应用极其广泛，在航空领域，国内外已经将复合材料应用于飞机机身、机翼、驾驶 舱、螺旋桨、雷达罩、机翼表面整流装置等。在航天工程中，复合材料也扮演着重要的角色。 为了满足航空航天大型结构的力学性能和多功能性的要求，迫切需要开发新型的航空航天 超轻质高强度多功能材料。点阵夹芯结构的设计体现了汇集材料设计、结构设计和多功能 设计为一身的协同优化设计理念。复合材料点阵夹芯结构因具有优良的力学性能和潜在的 多功能应用价值，吸引了国内外许多优秀的力学学者对其进行研宄。目前，对该结构基本 力学性能的理论研宄已经趋于成熟，但是制备出的结构力学性能与理论预测的结果相差甚 远，从而限制了结构的广泛应用。制备工艺的好坏直接影响结构服役时间长短和结构安全 可靠程度。因此，很有必要将制备工艺作为研宄复合材料点阵夹芯结构的重中之重。
[0003] 目前国外的研宄情况是：弗吉尼亚大学Wadley课题组对复合材料点阵夹芯结构 的研宄做了很多工作，下面将分别介绍三种制备复合材料点阵夹芯结构的工艺：1)杆件组 装工艺，2007年弗吉尼亚大学Wadley课题组首次利用该工艺成型碳纤维复合材料金字塔 点阵夹芯结构，该工艺成型的金字塔点阵夹芯结构并没有发挥出杆件最大承载能力，面芯 界面连接强度小，杆件容易穿透面板，导致结构发生破坏，且机械加工较多，使结构产生更 多的缺陷。2)水切割单杆拼接工艺，继杆件组装工艺之后，Wadley课题组又提出并研制了 水切割单杆拼接工艺，将制备的单向板切割成带有小凸台的杆件，在上下面板钻出十字形 槽口，将带有凸台的杆件与带有十字形槽口的面板组装成型，并在槽口中灌注环氧树脂，最 后固化成型。该工艺流程图及制备的结构如图1-4所示。该工艺制备缺陷为：切割单个杆 件时，凸台部分容易萌生裂纹，大大消弱了面芯界面连接强度。3)水切割嵌锁组装工艺，在 以上两种制备工艺的基础上，Wadley课题组成功研制了水切割嵌锁组装工艺，该工艺成型 的基本步骤为 ：a)设计层合板铺层并制备层合板；b)利用水切割机将层合板切成带有嵌锁 槽的杆件；c)将带有嵌锁槽的杆件进行组装；d)最后将杆件与带有十字形槽口的面板进行 装配并在槽口灌注环氧树脂固化成型。该工艺明显提高了芯子的成型效率。但对其力学性 能进行分析后，发现只有一半纤维发挥出了潜力。
[0004] 目前国内的相关的情况是：国内有两个具有代表性的工艺方法，分别为穿插编制 工艺和预浸料一体成型工艺，穿插编制工艺为清华大学范华林教授等[i，][ii]首次提出 并研制了穿插编织工艺，利用该工艺制备出了碳纤维复合材料点阵结构。杆件固化过程中 不能加压，而且穿插工艺要求纤维束很细，降低了芯子的性能。通过预浸料一体成型工艺制 备的复合材料金字塔点阵夹芯结构，具有如下缺点：纤维柱端部预埋在面板中，对面板的力 学性能有一定影响；纤维杆径向成型压力不足，压时易造成纤维杆劈裂；人工操作过程太 多，不易实现批量化。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种类桁架复合材料点阵夹芯结构的制备方法，以解决现有 国内外的组装工艺存在步骤复杂、节点粘接面积小，芯子不能整体成型的问题。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0007] 步骤一：热压模具的预处理：首先用砂纸将波纹板模具表面的锈痕打磨掉，然后 用丙酮清洗波纹板模具表面去除杂质，最后将脱模剂均匀地涂抹在波纹板模具的表面；
[0008] 步骤二：波纹板的制备工作：首先将碳纤维预浸料裁成尺寸与波纹板模具一致， 然后将碳纤维预浸料铺层形成波纹板，再波纹板放入波纹板模具中，在热压机上加压固化， 调节热压机使其在恒温80°C的温度下保温30分钟，再加热至130°C时加压；
[0009] 步骤三：面板的制备工作：首先将碳纤维预浸料裁成尺寸与面板模具一致，并按 照设计方案对碳纤维预浸料进行角度铺设形成面板，用丙酮清洗面板模具，然后将脱模剂 均匀地涂在面板模具，最后再面板模具放入热压机中，调节热压机使其在恒温80°C的温度 下保温30分钟，加热至130°C时加压1~2MPa ;
[0010] 步骤四：波纹板的切割工作：用机械切割方法将通过压制成的波纹板沿着波纹板 长度方向切割多个宽度与波纹板槽口宽度相同的波纹条；
[0011] 步骤五：波纹条的预处理工作：逐一对多个波纹条表面上残留的脱模剂和树脂进 行预处理，先用砂纸打磨掉残留下脱模剂和树脂，再用丙酮清洗波纹条表面；
[0012] 步骤六：胶膜与波纹条的粘接工作：将胶膜剪裁成尺寸为16mmX 16mm，用胶膜粘 接切割完毕的波纹条，使多个波纹条通过胶膜的粘贴作用交错拼接形成点阵芯子构架；
[0013] 步骤七；对面板上波纹条摆放的位置进行定位；
[0014] 步骤八；点阵芯子构架与面板的粘接工作：将两个面板分别粘贴在多个波纹条形 成的点阵芯子构架的顶面和底面上，然后将两个角铁设置在处于点阵芯子构架顶面的面板 外，两个角铁对称设置在所述面板的对角处，在常温下压制类桁架复合材料构型持续3~5 分钟；
[0015] 步骤九：将带面板的点阵芯子构架放置烘箱中，对胶膜进行固化，固化温度为 120°C，固化时间120分钟，即制得类桁架复合材料点阵夹芯结构。
[0016] 本发明与现有技术相比的有益效果：
[0017] 1、本发明工艺过程易操作：操作步骤简单，利用碳纤维预浸料将其整体铺放在波 纹板模具中，再将波纹板切割为多个波纹条，通过多个波纹条的拼接即可形成整体成型的 点阵芯子构架构架。
[0018] 2、本发明中波纹板模具的设计是根据类桁架复合材料点阵夹芯结构的简化模型 计算得出结构的最优尺寸，从而使波纹板的结构呈现出优质的力学性能。
[0019] 3、本发明能显著提高结构性能：波纹条在压力下成型，并且芯子纤维连续，整体性 能很强，面板与点阵芯子构架之间的粘接面积可根据实际受力情况适当调节，操作灵活，这 样便于操作者根据具体工况要求设计粘接面积的大小。
[0020] 4、本发明操作过程机械加工环节少，且所实现的机械加工不会对点阵芯子构架及 面板造成破损，避免产生结构上的缺陷，由于点阵芯子构架结构的完整性，使其成型效率提 高了 60%，通过对成型点阵芯子构架的力学性能进行分析后，发现其组成纤维充分发挥出 了潜力。
[0021] 5、本发明实现批量化：由于裁剪碳纤维预浸料为自动化操作，人工操作少，与现有 工艺相比，本发明更易于裁剪面积大的碳纤维预浸料，将面积大的碳纤维预浸料整体放置 在波纹板模具或面板模具中，而且是整体大面积一次成型，这样即可实现批量化生产，促进 工程实际运用。
【附图说明】
[0022] 图1是通过本发明制备的点阵芯子构架（没有上面板）的俯视结构示意图；
[0023] 图2是本发明制备出的类桁架复合材料点阵夹芯结构的主视结构示意图；
[0024] 图3是【具体实施方式】一步骤二中热压机对波纹