专利名称：一种复合材料连接结构及其制件的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种高强度的复合材料连接结构及其制件。
背景技术：
纤维增强复合材料具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强等一系列优异性能，已被广泛应用于航空航天、航海、国防、交通运输、化工机械等领域。复合材料结构连接方式主要有胶接连接和机械连接。由于机械连接能传递大的载荷，便于拆装和检查维修，故复合材料主要承力结构连接处多采用机械连接。然而，机械连接需要在连接区上钻孔，钻孔切断了纤维，导致螺孔周围产生应力集中，使其成为复合材料结构中最容易发生破坏的薄弱环节。实际应用表明，在飞机的各种故障中，75%-80%的疲劳破坏发生在机体结构的零件连接部位上。因此，开展复合材料层合板机械连接问题的研究对复合材料层合板的工程应用具有重要意义。对此，可以使用纤维织物补强片对机械连接结构进行补强，以提高连接结构的强度。传统的补强方法是采用纤维织物如由纤维方格布或多轴向布通过裁剪得到补强片，在该技术中，由于补强片的纤维被切断，因此补强效果并不理想；且裁剪的过程中会造成纤维的浪费，对于较为昂贵的碳纤维材料而言，成本耗费大，不利于工业化大规模生产。综上所述，本领域迫切需要开发一种低成本，补强效果好、设计和制造简单的机械连接结构。
实用新型内容本实用新型的技术目的是针对上述现有技术中存在的不足，提供一种提高复合材料机械连接强度的补强片，并使用该补强片提高复合材料开孔构件的承载能力。本实用新型的第一方面，提供了一种复合材料制件，所述制件是具有增强开孔的复合材料制件，所述的增强开孔是用补强片进行补强的开孔，其中所述补强片包括迭放在一起的径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层，其中，所述径向纤维轨迹层与紧固件周围的复合材料存在第一重叠区域而与紧固件开孔区域不存在重叠区域；所述环向纤维轨迹层与紧固件周围的复合材料存在第二重叠区域而与紧固件开孔区域不存在重叠区域；且所述径向纤维轨迹层的中心与所述环向纤维轨迹层的中心基本重合。在另一优选例中，所述径向纤维轨迹层总体形状为围绕开孔的环形。在另一优选例中，所述第一重叠区域的内沿与开孔的边缘基本重合。在另一优选例中，所述第二重叠区域的内沿与开孔的边缘基本重合。在另一优选例中，所述的复合材料为纤维增强的复合材料。在另一优选例中，所述增强开孔是用一片或多片补强片进行补强的开孔。[0016]在另一优选例中，所述的开孔形状为圆形或正多边形。本实用新型的第二方面，提供了一种复合材料连接结构，包括:I)第一制件，所述第一制件是具有增强开孔的复合材料制件，所述的增强开孔是用补强片进行补强的开孔，其中所述补强片由径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层的未浸或预浸树脂的增强纤维丝束构成；2)紧固件，所述紧固件通过上述开孔将所述第一制件连接或固定于第二制件或者
第二组件。在另一优选例中，所述的第二制件也是具有增强开孔的复合材料制件。在另一优选例中，所述的第二组件包括机器零件、墙面、地面。在另一优选例中，所述的复合材料连接结构还包括通过同一紧固件连接或固定在一起的其他制件或组件。在另一优选例中，所述的复合材料为增强的复合材料，较佳地为纤维增强的复合材料。在另一优选例中，所述复合材料制件被固定或连接在复合材料或非复合材料的表面上。在另一优选例中，所述复合材料制件通过紧固件被固定在复合材料或非复合材料的表面上。在另一优选例中，所述的紧固件为螺栓。应理解，在本实用新型范围内中，本实用新型的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
图1是本实用新型的连接结构的尺寸和形状的俯视图；图2为复合材料连接结构的侧视图；图1、2中，I是具有增强开孔的复合材料制件(第一制件)，2是与复合材料制件连接的第二制件，3是用于补强复合材料制件的补强片，4是用于连接第一制件和第二制件的紧固件；5是开孔；图3是补强片纤维铺放路径示意图；图4是补强片铺放方式示意图。图中，30为补强片，40为母体。
具体实施方式
本发明人经过长期而深入的研究，意外地发现，在复合材料连接结构中，按复合材料制件的受力情况设计补强片并对制件进行补强，能够有效地提高复合材料连接结构的强度。据此，发明人提出了一种机械连接强度增强的复合材料连接结构及其相应的制备方法。在本实用新型中，术语“构件”、“制件”、“制品”、“部件”可互换使用，指用复合材料制成的任何制品，尤其是具有增强开孔的制品。紧固件如本文所用，术语“紧固件”指将两个或两个以上的零件(或构件)紧固连接成为一件整体时所采用的机械零件。在本实用新型中，紧固件用于将复合材料制件和复合材料或非复合材料制件连接成为整体。本实用新型所用的紧固件的形状和材质没有特别限制，优选的可用于本实用新型的紧固件包括但不限于:螺栓、螺母、螺柱、螺钉，或其组合。径向纤维轨迹层如本文所用，术语“径向纤维轨迹”指与开孔的边缘相交且呈径向排列的的纤维轨迹。通常，每个径向排列的纤维轨迹形成或构成一个径向纤维轴。各个径向纤维轨迹中心线(或中轴)可以指向并汇聚于开孔的中心或中心区域。虽然，在同一径向纤维轨迹层中，各径向纤维轴的取向(或与开孔边缘形成的夹角大小)可以相同或不同，但优选相同或基本相同。此外，当含有多个径向纤维轨迹层时，各径向纤维轨迹层的径向纤维轨迹的取向可以相同，可以不同。例如，第一层取向45度,第二层取向-45度。在本实用新型中，径向纤维轴的数量没有特别限制，通常取决于开孔的大小以及所需达到的补强程度。一般，按开孔的周长计算，径向纤维层的径向纤维轴的密度通常为3-50根/cm，较佳地为5-25根/cm。在另一优选例中，每一层径向纤维层的径向纤维轴数量为10 1000根，较佳地为15-150 根。在本实用新型中，每层径向纤维轨迹层可由一根或多根纤维构成，较佳地由一根纤维构成，即一个径向纤维轨迹层中的所有径向纤维轴由单根纤维形成。更优选地，多个或所有径向纤维轨迹层是由一根纤维构成。环向纤维轨迹层如本文所用，术语“环向纤维轨迹”指中心与开孔的中心基本重合的环向纤维的轨迹。较佳地，本实用新型的环向纤维轨迹的形状为螺旋形。在本实用新型中，所述的环向纤维轨迹可为圆形、近圆形、椭圆形、近椭圆形或螺旋线形或其他与开孔形状相似或相近的形状，或其组合。环向纤维轨迹可以是封闭的(如圆形)，也可以是不封闭的(如螺旋形)。较佳地，本实用新型的环向纤维轨迹的形状为螺旋形。优选为螺旋线形。在本实用新型中，环向纤维轨迹的圈数没有特别限制，通常取决于开孔的大小以及所需达到的补强程度。一般，按补强区域的宽度(R_r)计算，环向纤维轨迹层的纤维圈数通常为1-50根/cm，较佳地为3-20根/cm。在另一优选例中，每一层环向纤维轨迹层的纤维圈数为3 1，000圈。在本实用新型中，环向纤维轨迹层可由一根或多根纤维构成，较佳地由一根纤维构成，即一个环向纤维轨迹层中的所有环向纤维由单根纤维形成(尤其是螺旋形环向纤维轨迹层)。更优选地，多个或所有环向纤维轨迹层是由一根纤维构成的。在本实用新型中，一种特别优选的方式是补强片中的多个或所有的径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层都由一根纤维构成的。这样，使得补强片中所有的纤维轨迹是连续的，从而可以显著提高强度。用于复合材料连接结构的补强片[0056]本实用新型提供的补强片具有由径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层环向纤维轨迹层共同组成的纤维轨迹。所述径向纤维轨迹层和所述的环向纤维轨迹层与螺栓周围的复合材料存在第一重叠区域，且与螺栓孔部位不存在重叠区域。所述径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层的总体形状为围绕开孔的环形，且纤维轨迹层的内沿与开孔的边缘基本重合。环向纤维轨迹层的纤维轨迹为圆形、近圆形、椭圆形、三角形、方形、多边形(正η边形，η为大于5的正整数，如6，8，10，12等)，且环向纤维轨迹层的纤维轨迹和/或总体性状的内沿与紧固件形状相同或基本相同。所述的径向纤维轨迹层具有从中心向外分散的多个径向纤维轴。较佳地，各径向纤维层的径向纤维轴数量为10 1000根，较佳地为15-100根。所述的环向纤维轨迹层的纤维轨迹，较佳地可为圆形、近圆形、椭圆形、近椭圆形或螺旋线形，且每一层环向纤维轨迹层的纤维圈数为3 1，000圈。每层径向纤维轨迹层或环向纤维轨迹层由一根或多根纤维构成，较佳地，由一根纤维构成，更佳地，环向纤维轨迹层和径向纤维轨迹层由同一根纤维构成。本实用新型所提供的补强片的纤维轨迹和复合材料构件承载的主应力轨迹一致或基本一致，其中，所述的环形螺旋线轨迹与复合材料所受的拉应力轨迹一致或基本一致，且所述径向轨迹与复合材料所受的压应力轨迹一致或基本一致。在本实用新型中，所述的纤维为预浸基体树脂纤维束或未浸基体树脂纤维束，且所述的纤维包括:玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维，陶瓷纤维，天然纤维，或其组合。复合材料制件的制备方法本实用新型的复合材料制件的制备方法，一般可包括步骤:(a)在制备复合材料开孔制件的过程中，当制得的纤维复合材料开孔制件的纤维预成型体后，将补强片铺放在纤维预成型体的开孔部位，然后将补强片与纤维预成型体一体化固化成型，得到开孔补强的纤维复合材料开孔制件；或所述方法包括步骤(b)(b)将补强片直接铺放在已成型的复合材料开孔制件的开孔部位的表面，然后进行二次固化成型，得到开孔补强的复合材料开孔制件。在另一优选例中，所述的一体化固化成型包括复合材料液体模塑成型工艺、热压罐成型工艺和模压成型工艺。在另一优选例中，所述的复合材料液体模塑成型工艺包括树脂传递模塑成型工艺、真空辅助树脂注射成型工艺和树脂膜渗透成型工艺。在另一优选例中，所述的二次固化成型包括真空辅助树脂注射成型工艺、树脂膜渗透成型工艺、热压罐成型工艺和模压成型工艺。在另一优选例中，所述制件是具有增强开孔的复合材料制件，所述的增强开孔是用补强片进行补强的开孔，其中，所述补强片包括迭放在一起的径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层；其中，所述径向纤维轨迹层与紧固件周围的复合材料存在第一重叠区域而与紧固件开孔区域不存在重叠区域；所述环向纤维轨迹层与紧固件周围的复合材料存在第二重叠区域而与紧固件开孔区域不存在重叠区域；且所述径向纤维轨迹层的中心与所述环向纤维轨迹层的中心基本重合。在另一优选例中，所述补强片通过包含下列步骤的途径制备:i)对紧固件连接的复合材料构件进行受力分析，得到螺孔周围的主应力分布情况；ii)根据螺孔周围的主应力分布，用相关软件分别描绘拉应力和压应力轨迹；iii)在得到的主应力轨迹的基础上，沿着拉应力轨迹布置环向轨迹，沿着压应力轨迹布置径向轨迹，将这些轨迹连成整体，形成补强片的纤维铺放轨迹；iv)按照所设计的纤维丝束轨迹、几何形状及尺寸，采用缝合线或粘合剂将纤维丝束固定在底材上，制得所需的补强片。在另一优选例中，所述的步骤i)包括:对待加固补强部位进行受力分析，确定待加固补强部位主要承受载荷的方向和大小，并结合待加固补强部位的几何形状及尺寸大小设计补强片，使补强片的纤维丝束轨迹与开孔补强部位的受力承载方向一致或基本一致，几何形状以及尺寸大小与开孔补强部位相匹配。在另一优选例中，所述环向轨迹与复合材料所受的拉应力轨迹一致或基本一致，且所述径向轨迹与复合材料所受的压应力轨迹一致或基本一致。在另一优选例中，所述方法包括用有限元分析软件进行受力分析，用相关软件描绘应力的受力情况，从而设计补强片的纤维轨迹。在另一优选例中，纤维轨迹的设计通过有限元分析软件进行，较佳地通过ANSYS或ABAQUS有限元分析软件进行。在另一优选例中，所述补强片的纤维是预浸基体树脂纤维束或未浸基体树脂纤维丝束，且所述的纤维选自下组:玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、天然纤维或其组合。在另一优选例中，所述补强片的预浸树脂基体选自环氧树脂、聚氨酯树脂、阴离子开环聚合聚酰胺类树脂、聚对苯二甲酸环丁二醇酯树脂、聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、聚酰胺树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮树脂、聚乳酸树脂、聚醚酰亚胺树脂，或聚酰亚胺树脂。在另一优选例中，所述复合材料制件的树脂基体选自不饱和树脂、环氧树脂、乙烯基酯类树脂、聚氨酯树脂、阴离子开环聚合聚酰胺类树脂、聚对苯二甲酸环丁二醇酯树脂、聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、聚酰胺树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮树脂、聚乳酸树脂、聚醚酰亚胺树脂，或聚酰亚胺树脂。复合材料制件的制备一种通用的具有本实用新型的复合材料连接结构的复合材料制件制备方法包括以下步骤:制备相应部位开孔的复合材料的纤维预成型体，将本实用新型中的补强片固定在复合材料纤维预成型体相应位置后一体化固化成型，然后通过螺栓将各部件连接；或将补强片固定在已固化的开孔复合材料制件的相应位置，进行二次固化成型后通过紧固件(如螺栓)进行组装。复合材料连接结构的制备根据复合材料层合板上的开孔部位形状、大小和受力情况，设计合适的补强片，用制得的补强片对复合材料层合板开孔部位进行补强后通过紧固件进行连接，从而制得复合材料连接结构。[0092]本实用新型所提供的连接结构中，补强片根据复合材料构件承载时的主应力轨迹来设计，沿着拉应力轨迹布置环向轨迹，沿着压应力轨迹布置径向轨迹，最后将这些轨迹连成整体，形成纤维铺放轨迹，采用纤维丝束按所设计的轨迹制备补强片并用于开孔的复合材料制件补强。在另一优选例中，所述的环向轨迹与复合材料所受的拉应力轨迹一致或基本一致，且所述径向轨迹与复合材料所受的压应力轨迹一致或基本一致。在另一优选例中，使用有限元分析软件(如ANSYS或ABAQUS等)对紧固件连接的复合材料构件进行受力分析，得到开孔周围的主应力分布情况，并根据开孔周围的主应力矢量分布，用计算机相关软件分别描绘拉应力和压应力轨迹。在复合材料层合板的相应位置进行机械钻孔，用补强片对紧固件连接部位的上表面和/或下表面制件进行补强，较佳地，对紧固件连接部位的上表面和下表面均进行补强，且所述补强方法包括步骤(I):(I)在制备复合材料制件的过程中，当制得的复合材料开孔制件的纤维预成型体后，将补强片固定到复合材料纤维预成型体相应位置，然后将补强片与纤维预成型体一体化固化成型，得到开孔补强的纤维复合材料开孔制件；或所述补强方法包括步骤(2):(2)将补强片直接固定到已固化的复合材料制件的紧固件连接部位的表面，然后进行二次固化成型，得到开孔补强的复合材料开孔制件。将补强后的层合板通过紧固件连接，从而得到相应的复合材料连接结构。与现有技术相比，本实用新型提供的复合材料连接结构具有如下优点:(I)制件在不同受力情况下均具有较大的强度。(2)设计和制备相对简单，设计周期短，有利于批量化生产，降低成本。(3)补强片采用纤维铺放方法制成，纤维浪费量小。(4)可以推广应用到任何开孔构件，应用范围广。下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。实施例:首先，制备如图1、2所示尺寸的玻璃纤维/环氧树脂复合材料螺栓连接试样。上述玻璃纤维/环氧树脂复合材料螺栓连接试样的制备方法如下:步骤1:在ANSYS或ABAQUS等有限元分析软件中对紧固件连接的复合材料构件进行受力分析，得到螺孔周围的主应力分布情况。步骤2:根据开孔周围的主应力矢量分布，用相关软件分别描绘拉应力和压应力轨迹。步骤3:在步骤2得到的主应力轨迹的基础上，沿着拉应力轨迹布置环向近圆形螺旋线轨迹，沿着压应力轨迹布置径向轨迹，最后将这些轨迹连成整体，形成补强片的纤维铺放轨迹，如附图3所示。步骤4:按步骤3所设计的轨迹，采用缝合线或粘合剂固定纤维丝束制备补强片。[0112]步骤5:以8层EW400-1000玻璃纤维平纹布作为母体(即复合材料纤维预成型体)，以双面面外补强的方式将步骤4制得的补强片固定到母体纤维布相应位置，如附图4所示。采用真空辅助树脂注射成型工艺(Vacuum Assisted Resin Infusion,简称VARI)注入环氧树脂体系(环氧树脂AEP312A和固化剂AEP312B的质量配比为2:1)制备成玻璃纤维丝束补强的环氧/玻璃纤维复合材料层合板，固化条件为90°C，2h。[0113]步骤6:将制得复合材料层合板切割成图1、2所示尺寸的试样，并进行机械钻孔。用螺栓将钻好孔的试样连接起来形成复合材料连接试样。将上述制得的试样在万能试验机上进行拉伸测试，得到复合材料螺栓连接的极限连接载荷。对比实施例1:本实施例中，首先制备如图1、2所示尺寸的玻璃纤维/环氧树脂复合材料螺栓连接试样。上述玻璃纤维/环氧树脂复合材料螺栓连接试样的制备方法如下:步骤1:采用8层EW400-1000玻璃纤维平纹布，通过真空辅助树脂注射成型工艺(Vacuum Assisted Resin Infusion,简称VARI)注入环氧树脂体系(环氧树脂AEP312A和固化剂AEP312B的质量配比为2:1)制备成环氧/玻璃纤维复合材料层合板，固化条件为90°C,2ho步骤2:将制得复合材料层合板切割成图1、2所示尺寸的试样，并进行机械钻孔。步骤3:用螺栓将钻好孔的试样连接起来形成复合材料螺栓连接试样。将上述制得的试样在万能试验机上进行拉伸测试，得到复合材料螺栓连接的极限连接载荷。对比实施例2:本实施例中，首先制备如图1、2所示的尺寸的玻璃纤维/环氧树脂复合材料螺栓连接试样。上述玻璃纤维/环氧树脂复合材料螺栓连接试样的制备方法如下:步骤1:采用两层EW400-1000玻璃纤维平纹布制备成中间有一圆形开口的玻璃纤维布补强片；步骤2:以8层EW400-1000玻璃纤维平纹布作为母体(即复合材料纤维预成型体)，将步骤I制得的补强片以双面面外补强的方式固定到母体纤维布相应位置，如附图4所示。采用真空辅助树脂注射成型工艺(Vacuum Assisted Resin Infusion,简称VARI)注入环氧树脂体系(环氧树脂AEP312A和固化剂AEP312B的质量配比为2:1)制备成玻璃纤维平纹布补强的环氧/玻璃纤维复合材料层合板，固化条件为90°C，2h。步骤3:将制得复合材料层合板切割成图1、2所示尺寸的试样，并进行机械钻孔。步骤4:用螺栓将钻好孔的试样连接起来形成复合材料螺栓连接试样。将上述制得的试样在万能试验机上进行拉伸测试，得到复合材料螺栓连接的极限连接载荷。实验结果:
权利要求1.一种复合材料制件，其特征在于，所述制件是具有增强开孔的复合材料制件，所述的增强开孔是用补强片进行补强的开孔，其中所述补强片包括迭放在一起的径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层， 其中，所述径向纤维轨迹层与紧固件周围的复合材料存在第一重叠区域而与紧固件开孔区域不存在重叠区域； 所述环向纤维轨迹层与紧固件周围的复合材料存在第二重叠区域而与紧固件开孔区域不存在重叠区域；且 所述径向纤维轨迹层的中心与所述环向纤维轨迹层的中心基本重合。
2.如权利要求1所述的制件，其特征在于，所述径向纤维轨迹层总体形状为围绕开孔的环形。
3.如权利要求1所述的制件，其特征在于，所述制件的增强开孔是用一片或多片补强片进行补强的开孔。
4.一种复合材料连接结构,其特征在于,所述连接结构包括: 1)第一制件，所述第一制件是具有增强开孔的权利要求1所述的复合材料制件，其中所述的增强开孔是用补强片进行补强的开孔，其中所述补强片由径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层的未浸或预浸树脂的增强纤维丝束构成； 2)紧固件，所述紧固件通过上述开孔将所述第一制件连接或固定于第二制件或者第二组件。
5.如权利要求4所述的连接结构，其特征在于，所述的第二制件也是具有增强开孔的复合材料制件。
6.如权利要求4所述的连接结构，其特征在于，所述的第二组件包括机器零件、墙面、或地面。
7.如权利要求4所述的连接结构，其特征在于，所述的紧固件为螺栓。
8.如权利要求4所述的连接结构，其特征在于，所述的连接结构还包括通过同一紧固件连接或固定在一起的其他制件或组件。
专利摘要本实用新型公开了一种复合材料连接结构及其制件。具体地，本实用新型提供了一种具有增强开孔的复合材料制件，其中所述的增强开孔是用补强片进行补强的开孔，其中所述补强片包括迭放在一起的径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层，且所述径向纤维轨迹层的中心与所述环向纤维轨迹层的中心基本重合。本实用新型提供的复合材料连接结构强度大，补强效率高，具有十分广阔的应用前景。
文档编号B32B5/26GK202952561SQ20122059851
公开日2013年5月29日 申请日期2012年11月13日 优先权日2012年11月13日
发明者秦永利, 祝颖丹, 蔡晶, 滑聪, 孟令军, 范欣愉 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所