三维增强复合材料的成型方法与流程

本发明涉及复合材料技术领域，具体的，涉及一种三维增强复合材料的成型方法。

背景技术：

复合材料层合板具有良好的承载能力，被广泛应用。但是，在实际应用过程中，由于层间连接界面强度远远低于复合材料的强度，因此连接界面很容易失效脱落。

目前的解决办法之一是采用缝合技术，但是，复合材料结构件采用缝合技术在预置缝合过程中针头的来回摆动必然会对复合材料的连续纤维以及基体产生初始损伤破坏，使得层合板的力学性能包括刚度强度等均有所下降，并且缝合技术结构件如果被利用在湿热环境中，周围环境的水分子会沿着预置缝合线渗入到结构件内部，使得结构件在循环载荷下过早失效，不仅减少了结构寿命甚至会带来更大的损失，而且，缝合技术的另外一个缺陷就是对设备要求高，价格昂贵，特别是大型飞机结构件的预浸料目前技术不能直接进行缝合，缝合技术使用受到多方面的限制。

技术实现要素：

针对相关技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种三维增强复合材料的成型方法，不仅能够实现将碳纤维z-pin植入到大厚度的复合材料层合板中，同时降低对复合材料层合板预制体破坏，减轻对层合板力学性能和强度的损伤，对提高复合材料的利用效率具有十分重要的意义。

为实现上述目的，本发明提供了一种三维增强复合材料的成型方法。

一种三维增强复合材料的成型方法，包括：步骤一：制备碳纤维z-pin构件以及碳纤维增强树脂基复合材料的层合板预制体；步骤二：在层合板预制体中制造预制孔；以及步骤三：将碳纤维z-pin构件植入到预制孔中。

根据本发明的一个实施例，在步骤二中，利用超声振动设备将金属针插入到层合板预制体中，然后拔出金属针以形成预制孔。

根据本发明的一个实施例，金属针插入并且贯穿层合板预制体。

根据本发明的一个实施例，金属针沿垂直于层合板预制体的方向插入。

根据本发明的一个实施例，金属针是钢针。

根据本发明的一个实施例，步骤三中，预制孔的直径与碳纤维z-pin构件的直径相同。

根据本发明的一个实施例，在步骤三之前，还包括：在层合板预制体上设置泡沫载体，并且将碳纤维z-pin构件植入到泡沫载体中，然后执行步骤三。

根据本发明的一个实施例，在步骤三中，利用超声植入方法将碳纤维z-pin构件植入到预制孔中。

根据本发明的一个实施例，在步骤三中，还包括：除去碳纤维z-pin构件的未植入到预制孔中的部分，然后修整层合板预制体的表面。

根据本发明的一个实施例，层合板预制体的厚度大于或等于15mm。

本发明的有益技术效果在于：

在层合板预制体中制造预制孔，使碳纤维z-pin构件能够直接贯穿层合板预制体，不仅能够实现将碳纤维z-pin植入到大厚度的复合材料层合板中，同时降低对复合材料层合板预制体破坏，减轻对层合板力学性能和强度的损伤，对提高复合材料的利用效率具有十分重要的意义。

附图说明

图1是三维增强复合材料的成型方法的实施例的流程示意图；

图2是金属针插入层合板预制体的示意图；

图3是预制孔的示意图；

图4是碳纤维z-pin构件植入到预制孔的示意图；

图5是层合板预制体表面经过修整后的示意图。

具体实施方式

现参照附图对本发明进行描述，应当理解的是，本发明以下说明书中所述实施方式以及附图中所示实施例均是示例性的，并不对本发明构成任何限定。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，三维增强复合材料的成型方法包括以下步骤。

步骤一：制备碳纤维z-pin构件1以及碳纤维增强树脂基复合材料的层合板预制体2。

具体的，碳纤维z-pin构件1可以通过拉挤工艺制备。同时碳纤维z-pin构件1的端部设置成尖锐形状，方便后面的植入操作。

步骤二：在层合板预制体2中制造预制孔4。

具体的，先在层合板预制体2上规划打孔的位置。预制孔4的密度不宜过高，否则会损伤层合板预制体2。因此要依据层合板预制体2的面积、制造材料等因素对预制孔4的位置进行优化设计。然后，在层合板预制体2上制造预制孔4，预制孔4如图3所示。

步骤三：将碳纤维z-pin构件1植入到预制孔4中。

具体的，碳纤维z-pin构件1的长度大于或等于预制孔4的深度，这样碳纤维z-pin构件1能够贯穿层合板预制体2，增加碳纤维z-pin构件1和层合板预制体2的接触面积，有利于增强层合板预制体2的整体结构强度。

如图2所示，在一个实施例中，步骤二中预制孔4的制造方式是：利用超声振动设备将金属针3插入到层合板预制体2中，然后拔出金属针3以形成预制孔4。在本实施例中，金属针3插入和拔出的速度应该尽量快，也不能在插入和拔出的过程中抖动，避免金属针3对层合板预制体2造成损伤。

在一个实施例中，金属针3插入并且贯穿层合板预制体2。本实施例中，金属针3插入和贯穿层合板预制体2，则形成的预制孔4也贯穿层合板预制体2。碳纤维z-pin构件1与层合板预制体2的接触面积就会增大，有助于层合板预制体2整体性能的增强。

在一个实施例中，金属针3沿垂直于层合板预制体2的方向插入。在本实施例中，金属针3沿垂直于层合板预制体2的方向插入，会减小对层合板预制体2的损伤。

在一个实施例中，金属针3是钢针。钢针的硬度和刚度都比较高，有利于制造预制孔4。

在一个实施例中，预制孔4的直径与碳纤维z-pin构件1的直径相同。在本实施例中，预制孔4的直径与碳纤维z-pin构件1的直径相同，也就说，金属针3的直径与碳纤维z-pin构件1的直径也相同。设置为相同的直径，既能减少碳纤维z-pin构件1在植入过程中的阻力，也能够避免碳纤维z-pin构件1从预制孔4中滑落。

在一个实施例中，步骤三之前还要进行如下步骤：在层合板预制体2上设置泡沫载体，并且将碳纤维z-pin构件1植入到泡沫载体中，然后执行步骤三。在实施例中，泡沫载体在碳纤维z-pin构件1植入时起到导向的作用，因此泡沫载体应该选择具有一定硬度的泡沫。当然泡沫载体可以根据实际情况设置1层或者1层以上。

在一个实施例中，在步骤三中，利用超声植入方法将碳纤维z-pin构件1植入到预制孔4中。

在一个实施例中，步骤三还包括：除去碳纤维z-pin构件1的未植入到预制孔4中的部分，然后修整层合板预制体2的表面。如图4所示，在本实施例中，碳纤维z-pin构件1的长度大于或等于层合板预制体2的厚度，因此会有部分碳纤维z-pin构件1没有植入到预制孔4中。所以要对层合板预制体2的表面进行修整，保证层合板预制体2的表面平整。修整后的层合板预制体2如图5所示。

在一个实施例中，层合板预制体2的厚度大于或等于15mm。在本实施例中，层合板预制体2的厚度，例如可以是15mm、20mm、25mm等。

在又一个实施例中，层合板预制体的厚度是15mm，以下是本实施例中的步骤。

步骤一：制备碳纤维z-pin构件1和15mm厚的层合板预制体。

步骤二：在15mm层合板预制体上规划好碳纤维z-pin构件1的植入位置；然后利用超声振动设备将直径与碳纤维z-pin构件1相同的金属针3植入到15mm层合板预制体中，拔出金属针3，以形成待植入碳纤维z-pin构件1的预制孔4。

步骤三：将已经植入到泡沫预制体中的碳纤维z-pin构件1设置在15mm层合板预制体上，利用超声植入技术将碳纤维z-pin构件1植入到预制孔4中；最后除去碳纤维z-pin构件1未植入到预制孔4的部分，修整15mm层合板预制体的表面。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。