一种含仿生螺旋铺层复合材料的精密电子元器件保护系统的制作方法

本发明涉及一种含仿生螺旋铺层复合材料的精密电子元器件保护系统，属于冲击防护结构研究。

背景技术：

对于高精度电子元件、设备等，发生跌落时会承受冲击力，如果防护不当，可能造成损伤；在运输过程中，有可能受到冲击振动而损坏；对于一些在高g值工作环境下的电子设备，会由于振动等因素影响使用寿命。为此抗冲击结构的防护就显得尤为重要。特别是随着工业、国防军事用装备向大型化、高速、高精密、智能化等方向快速发展，多种复杂激励及其耦合作用使装备所处的动力学环境越来越复杂,对减振装置的性能要求也愈加苛刻,不仅要能够在一个较宽的频域内保持较高的减振率,而且能够有效缓解多种复杂激励(冲击载荷,负载激励,环境激励,基础干扰等)耦合作用对系统的干扰。

天然生物材料的卓越力学性能可为人造材料的优化设计提供重要的启示。螳螂虾棒状前肢生物材料的优良抗冲击性源于其内部螺旋铺层纤维微结构。具有螺旋铺层的新型仿生复合材料具有优异的力学性能，如高断裂韧性、高能量吸收能力等。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种含螺旋铺层结构的精密电子元器件保护系统及方法，实现冲击隔离的目的，满足高精密元件设备等对冲击防护的要求。

本发明通过以下技术方案实现的：一种含仿生螺旋铺层复合材料的精密电子元器件保护系统，包括：外壳、螺旋铺层内壳和填充物；所述填充物位于外壳和精密电子元器件之间；所述螺旋铺层内壳材料为以碳纤维为增强体、树脂为基体的复合材料，螺旋铺层中各层之间的碳纤方向按照一定螺旋角排列。

所述螺旋铺层如下：

[0/16.36/32.73/49.09/65.45/81.82/98.18/114.54/130.91/147.27/163.64/180]ns

即从0°方向开始铺层，每两层纤维方向之间的夹角为16.36°，纤维角度逐渐递增至180°，每12层形成一个铺层周期；通过对单个铺层周期进行n次对称使得铺层满足壳的厚度要求。本发明中n取2-3。

所述外壳与螺旋铺层内壳均为一端开口的中空圆柱。

所述填充物为生物基发泡材料。

所述外壳为陶瓷材料。

所述外壳的顶部设有圆柱盖，所述圆柱盖扣在外壳的顶部，并与所述外壳的顶部密封连接。

本发明一种含仿生螺旋铺层复合材料的精密电子元器件保护方法，步骤为：

首先，选择高强度的陶瓷材料的外壳，利用卷绕成型工艺制备碳纤维螺旋铺层的热塑性复合材料内壳，填充物可以为聚氨酯泡沫、生物发泡材料，然后使用胶粘的方法，将外壳和内壳贴合。具体步骤如下：

(1)利用卷管机上的热辊，使预浸料软化，熔化预浸料上面的树脂胶粘剂；

(2)在一定张力下，在辊的旋转操作过程中，利用辊和心轴之间的摩擦，分层按照一定的角度将预浸料卷到管芯上，直至所要求厚度；

(3)通过冷辊冷却定型，从卷绕机上取出，在固化炉中固化。管材固化后，去除芯模型，得到螺旋铺层结构的复合材料内壳；

(4)将复合材料内壳和陶瓷外壳用砂纸打磨，然后清洗干净；

(5)选择胶粘将陶瓷材料、碳纤维复合材料粘接；

(6)在内壳放入被保护的精密电子元件或设备，向内壳内填充生物质发泡材料，实现对精密电子元件或设备的冲击防护；

(7)需要使用密封状态时，将圆柱盖扣在所述外壳的顶部。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明结构简单、可靠，制作工艺简单方便。陶瓷材料的强度和硬度较高，以防止外来物体侵彻，碳纤维复合材料的比强度和比刚度较大，且其独特的螺旋铺层结构使其具有较强的刚度、断裂韧性和能量吸收能力，而内部填充的生物质发泡材料可以起到很好的缓冲和减震的功能。通过将这三种性能优异的材料进行结合，能在减小保护系统质量的同时更有效地对精密元件进行振动冲击防护；同时配有圆柱盖能够使结构为密封和非密封两种状态。

附图说明

图1为本发明的螺旋铺层结构示意图；

图2为本发明的抗冲击结构的轴向剖面示意图；

图3为本发明的抗冲击结构的径向剖面示意图；

图4为本发明的抗冲击结构的整体外观剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～4所示，本发明的抗冲击结构包括外壳1及内壳2，其中内壳2放置在外壳1的内部，同轴设置。内壳2内部放置有被保护的精密电子元件或设备4，并在该内壳内填充有生物质发泡材料3，外壳1与内壳2均为一端开口的中空圆柱。外壳1与内壳2之间为粘接。

如果需要使用密封状态，在外壳1的顶部设有圆柱盖5，该圆柱盖扣在外壳1的顶部。

本发明的外壳1为高硬度的陶瓷材料，内壳2为碳纤维螺旋铺层的复合材料，内壳内的填充材料为生物质发泡材料。

本发明螺旋铺层结构的电子元器件保护系统的制作方法为：

首先，选择高强度的陶瓷材料的外壳，利用卷绕成型工艺制备碳纤维螺旋铺层的热塑性复合材料内壳，填充物为生物发泡材料。

然后，使用胶粘的方法，将外壳和内壳贴合；具体步骤如下：

a.利用卷管机上的热辊，使预浸料软化，熔化预浸料上面的树脂胶粘剂。

b.在一定张力下，在辊的旋转操作过程中，利用辊和心轴之间的摩擦，分层按照一定的角度将预浸料卷到管芯上，直至所要求厚度。

c.通过冷辊冷却定型，从卷绕机上取出，在固化炉中固化。管材固化后，去除芯模型，得到螺旋铺层结构的复合材料内壳。

d.将复合材料内壳和陶瓷外壳用砂纸打磨，然后清洗干净。

e.选择胶粘将陶瓷材料、碳纤维复合材料粘接。

f.在内壳放入被保护的精密电子元件或设备，向内壳内填充生物质发泡材料，实现对精密电子元件或设备的冲击防护。

需要使用密封状态时，将圆柱盖扣在所述外壳的顶部。

陶瓷材料的强度和硬度较高，碳纤维复合材料的比强度和比刚度较大，且其独特的螺旋铺层结构使其具有较强的断裂韧性和能量吸收能力，而内部填充的生物质发泡材料可以起到很好的缓冲和减震的功能。通过将这三种性能优异的材料进行结合，通过仿真及相关试验能在减小保护系统质量的同时更有效地对精密元件进行振动冲击有效的防护。

以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种含仿生螺旋铺层复合材料的精密电子元器件保护系统，包括：外壳、螺旋铺层内壳和填充物；所述填充物位于外壳和高精密元件设备之间；所述螺旋铺层内壳材料为以碳纤维为增强体、树脂为基体的复合材料，螺旋铺层中各层之间的碳纤方向按照一定螺旋角排列。本发明实现冲击隔离的目的，满足高精密元件设备等对冲击防护的要求。

技术研发人员：许骏;殷莎;陈昊宇;杨瑞恒;龚自正;张品亮
受保护的技术使用者：北京航空航天大学;北京卫星环境工程研究所
技术研发日：2019.03.20
技术公布日：2019.06.14