一种Z-pin增强复合材料格栅结构及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及复合材料增强技术领域，具体涉及一种Z-Pin增强复合材料格栅结构及其制造方法。
【背景技术】
[0002]复合材料格栅结构具有高比强度和比刚度，是重要的航天轻量化结构形式之一。其优势在于:(I)其本身拓扑优化性良好，相比其他复合材料结构能够取得更高的截面惯性矩，具有更高的抗弯和抗屈曲性能；(2)单向的复合材料加筋肋没有材料的匹配问题，不会出现分层等现象，具有较高的损伤容限和抗疲劳能力，在载荷作用下，尤其是冲击载荷作用下，即使加筋肋受损，裂纹也不易传播，克服了层合板结构易分层的缺陷；(3)是一种开放式的结构形式，克服了蜂窝夹芯结构在制作过程中，由于水分的侵入引起结构抗腐蚀性能下降的缺陷，开放式的结构形式还为智能元件的埋入以及结构的健康监测和修复提供了便利。
[0003]目前国内格栅结构主要为手工铺放成型和自动缠绕成型，筋条连续铺放或缠绕导致节点区域预浸纱堆积和纤维架空，致节点处强度降低。
[0004]Z-pin三维增强技术是在不连续缝合技术基础上发展而来的新三维增强技术，Z-p in是指一种金属类或复合材料类圆柱型短棒。Z-pin技术是将针状细杆Z-pin植入到铺迭好的预浸料中形成三维增强，经共固化形成的整体结构。该项技术可明显改善复合材料层合板的层间韧性，并具有操作简单、可设计性强、易于整体成型、减重性好、抗剪切、抗剥离性能强、对纤维损伤小的优点。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状，改善节点连接强度，提供一种采用“剪断-续铺”工艺进行格栅成型，并在节点处植入Z-pin的复合材料格栅结构及其制造方法。
[0006]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:
一种Z-pin增强复合材料格栅结构，包括横筋和纵筋，横筋和纵筋交叉处形成节点，其中:横筋和纵筋依次采用“剪断一续铺”工艺进行铺覆，并在交叉即节点处植入用于提高复合材料格栅结构连接强度的Z-pin ；
“剪断一续铺”工艺为:在每一层复合材料格栅结构中，横筋和纵筋仅有其中一条铺放节点，另一条在节点两侧剪断，使得各个节点的厚度与横筋、纵筋上其余部位的厚度一致。
[0007]为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括:
上述的Z-pin植入方向垂直于横筋和纵筋所形成的节点表面。
[0008]上述的横筋、纵筋和Z-pin的材料体系相同。
[0009]上述的横筋和纵筋上靠近节点的部位也植入Z-pin。
[0010]上述的节点与横筋、纵筋所形成的夹角部位铺贴有与横筋、纵筋相同材料形成补强板。
[0011 ] 一种z-pin增强复合材料格栅结构的制造方法，包括以下步骤:
步骤一:按照筋条宽度、厚度及形状参数，设计程序规划铺丝头运动轨迹；
步骤二:用纱布蘸取丙酮擦拭格栅成型模具表面，继而在成型模具上涂抹脱模剂；步骤三:利用复合材料铺丝设备，采用“剪断一续铺”工艺，在格栅成型模具上铺覆格栅结构；
步骤四:根据所选取的Z-pin直径，选取相对应的模腔，通过拉挤设备制备Z-pin ;步骤五:根据格栅结构上节点的位置及形状，在泡沫上标出相对应的位置，将Z-pin植入泡沫预制体；
步骤六:将含有Z-pin的泡沫预制体贴合在格栅结构表面，利用超声设备将Z-pin植入节点；
步骤七:除去泡沫载体和多余的Z-pin，得到未固化的Z-pin增强复合材料格栅结构； 步骤八:将Z-pin增强复合材料格栅结构固化，得到Z-pin增强复合材料格栅结构。
[0012]步骤六中，采用超声枪将Z-pin植入节点处，Ζ-pin植入方向垂直于节点平面。
[0013]将Z-pin植入节点处采用人工超声植入或机器人超声植入。
[0014]步骤二中采用的脱模剂为Frekote 55-NC。
[0015]目前国内格栅结构主要为手工铺放成型和自动缠绕成型，筋条连续铺放或缠绕导致节点区域预浸纱堆积和纤维架空，而本发明采用“剪断-续铺”工艺进行格栅成型，但是“剪断-续铺”工艺会导致节点部位强度降低，为了提高其强度，本发明将Z-pin植入节点部位。本发明提供的Z-pin增强复合材料格栅结构，既可以改善节点处由于预浸重复铺层所形成的厚度不均、纤维弯曲的问题，也可以显著提高节点处的连接强度与抗疲劳性能。
[0016]其增强原理如下:
Z-pin对筋条的桥联力阻碍裂纹的扩展，减缓裂纹扩展的速度，同时Z-pin的“钉扎”效应和自身变形抑制裂纹扩展，并且Z-pin将断开的纤维在厚度方向连接起来，从而提高格栅结构的连接强度与抗疲劳性能。
【附图说明】
[0017]图1为不含Z-pin增强的、筋条连续铺放的复合材料格栅结构示意图；
图2为Z-pin增强节点的、筋条“剪断一续铺”的复合材料格栅结构示意图；
图3为Z-pin增强节点及节点四周的、筋条“剪断一续铺”的复合材料格栅结构示意图；
图4为补强板增强的、筋条“剪断一续铺”的复合材料格栅结构示意图。
[0018]图中标号名称:横筋1、纵筋2、节点3、Z-pin4、补强板5。
【具体实施方式】
[0019]以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
[0020]第一实施例:如图2所示，
本发明的一种Z-pin增强复合材料格栅结构，包括横筋I和纵筋2，横筋I和纵筋2交叉处形成节点3，其中:横筋I和纵筋2依次采用“剪断一续铺”工艺进行铺覆，并在交叉即节点3处植入用于提高复合材料格栅结构连接强度的Z-pin4 ;
“剪断一续铺”工艺为:在每一层复合材料格栅结构中，横筋I和纵筋2仅有其中一条铺放节点，另一条在节点两侧剪断，使得各个节点的厚度与横筋1、纵筋2上其余部位的厚度一致。
[0021]实施例中，Z-pin4植入方向垂直于横筋I和纵筋2所形成的节点3表面。
[0022]实施例中，横筋1、纵筋2和Z_pin4的材料体系相同。