CN103009638A - 用于无人机机身、机翼的复合材料层合板的层间增强工艺 - Google Patents
用于无人机机身、机翼的复合材料层合板的层间增强工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于无人机机身、机翼的复合材料层合板的层间增强工艺，其包括以下步骤：1）利用拉挤成型工艺制备碳纤维增强树脂基复合材料销钉；2)制备含碳纤维增强树脂基复合材料销钉的泡沫预制体；3)将泡沫预制体中的碳纤维增强树脂基复合材料销钉植入用于无人机机身、机翼的复合材料层合板；4)对植入碳纤维增强树脂基复合材料销钉后复合材料层合板进行力学性能测试。利用该工艺可以提高无人机复合材料层合板结构的抗低速冲击能力，尤其是复合材料层合板加筋结构的抗层间剪切强度，为复合材料层合板的轻量化和低成本化打下坚实基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于无人机身、机翼的复合材料层合板，更具体地说，涉及一种更具抗低速冲击能力和抗层间剪切强度的用于无人机身、机翼的复合材料层合板及其层间增强工艺。
背景技术
近年来，随着应用研究的深入和成型技术的发展，纤维增强树脂基复合材料（Fiber reinforced resin matrix composites)已经被广泛应用于航空航天的结构件。然而，由于受到传统经典复合材料层合板(Classic composite laminate)的结构以及胶接、共固化等工艺的限制，导致复合材料层合板的层间薄弱，因此复合材料层合板的层间断裂韧性（Interlaminar fracture toughness）和冲击损伤容限(Impact damage tolerance)普遍较低，限制了其在航空航天飞行器主承力结构上的应用。
目前，用于复合材料层合板层间增强主要是通过缝合工艺，该缝合工艺是用高抗拉的纱线将很多铺层缝合起来制造具有3D纤维结构的预成型件。但是这种工艺会给预制体造成如下损伤：纤维破损、纤维错位、纤维弯折、富树脂区、缝线扭曲、微裂纹、压实。另外，现有无人机中使用的复合材料料层合板结构件存在明显不足，如抗冲击性能较弱，加筋—壁板界面出现分层等等。。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能有效解决上述问题的用于无人机身、机翼的复合材料层合板的层间增强工艺（Z-pin工艺）。该工艺与传统的预浸料-热压罐工艺相结合，将Z向(垂直)销钉植入层合板结构，增强了复合材料层合板的抗低速冲击能力，尤其是复合材料层合板加筋结构的抗层间剪切强度，为复合材料层合板结构的轻量化和复合材料应用的低成本化打下坚实基础。
本发明中用于无人机身、机翼的复合材料层合板的层间增强工艺包括有以下步骤：
1）采用与无人机复合材料结构中相同的碳纤维和树脂材料，并利用拉挤成型工艺制备碳纤维增强树脂基复合材料销钉；
2) 制备含碳纤维增强树脂基复合材料销钉的泡沫预制体；
3) 将泡沫预制体中的碳纤维增强树脂基复合材料销钉植入用于无人机机身、机翼的复合材料层合板；
4) 对植入碳纤维增强树脂基复合材料销钉后的复合材料层合板进行力学性能测试。
在上述步骤3) 中利用热压罐法的方法将碳纤维增强树脂基复合材料销钉植入到复合材料层合板的加筋结构与壁板的连接部位。
所述热压罐法的方法是将含有碳纤维复合材料销钉的泡沫预制体放在未固化的层合板需要增韧的部位，再套上真空袋，随着温度的升高，层合板的预浸层板逐渐软化，同时泡沫预制体逐渐融溃，使碳纤维复合材料销钉在热压罐产生的压力作用下将转移到层合板的层板里，待固化后，将层合板从热压罐中取出，用金刚刀割除多余的泡沫和碳纤维复合材料销钉。
在上述步骤3) 中利用超声波辅助嵌入技术将碳纤维增强树脂基复合材料销钉植入到复合材料层合板的加筋结构与壁板的连接部位。
所述超声波辅助嵌入技术利用专用的超声枪将泡沫预制体中的泡沫预制体压入层合板的层板间，超声枪中的超声波带动枪头触角进行高频振动，降低嵌入泡沫预制体需要的作用力，振动产生的热使泡沫预制体的树脂软化，易于泡沫预制体的转移。
在上述步骤3) 中利用手工植入的方式将碳纤维增强树脂基复合材料销钉单独的植入到复合材料层合板的加筋结构与壁板的连接部位。
上述步骤1）中的拉挤成型工艺是由供给置供给连续纤维长丝进入浸胶槽，在浸胶槽内使销钉坯与纤维长丝结合固定，从浸胶槽出来的纤维长丝连同销钉坯一起进入到升温模具进行固化，并以卷装的形式缠绕起来以便贮存和运输。
在纤维长丝通过浸渍槽前对纤维长丝进行预热，同时加热浸渍槽及调节浸渍槽内树脂温度能降低树脂的粘度。
用于制备含碳纤维增强树脂基复合材料销钉的碳纤维增强树脂基复合材料为SiC/双马树脂、T650/双马树脂、T300/环氧、T300/双马树脂、P100/环氧或S玻纤/环氧。
所述含碳纤维增强树脂基复合材料销钉的直径在0.15㎜～1.5㎜之间。
利用本发明中的层间增强工艺后既可以弥补当前广泛应用的缝合工艺的不足，又能为目前流行的树脂传递模塑成型(RTM)、真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺提供层间增强的纤维织物预制体，因此成为国内外复合材料界研究的焦点。
本发明中的层间增强工艺提高了无人机复合材料层合板的抗低速冲击能力，尤其是复合材料层合板加筋结构的抗层间剪切强度，为复合材料层合板结构的轻量化和低成本化打下坚实基础。
附图说明
图1为本发明中复合材料层合板层间增强的工艺流程图。
图2为本发明中复合材料销钉的拉挤成型工艺的流程示意图。
图3为本发明中的预制泡沫件的结构示意图。
图4为本发明中热压罐植入步骤的示意图。
图5为本发明中超声波植入步骤的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明中的具体实施例作详细说明。
本发明中用于无人机身、机翼的复合材料层合板的层间增强的工艺包括有以下步骤：
1） 材料、设备的准备
此步骤中主要是单向碳纤维丝束的采购、模具材料的采购、拉挤成型工艺装置的搭建、成型模具的制造、基体树脂体系、工艺参数的确定。本发明中的含炭纤维增强树脂基复合材料销钉是一种直径很小的销钉（通常直径在0.15mm～1.5mm之间），在制备之前选用适合不同复合材料层合板的销钉坯，销钉坯的直径有：Ф0.4mm，Ф0.6mm，Ф0.8mm，Ф1.0mm，Ф1.2mm。在后续工艺中通过控制碳纤维的用量来制作不同的复合材料销钉，并控制复合材料销钉的胶含量，如表1：
表1 35%胶含量时制备销钉直径表
| 3K碳纤维根数 | 根 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 销钉坯的直径 | mm | 0.4 | 0.6 | 0.8 | 1.0 | 1.2 |
| 复合材料销钉（Z-pin）的直径 | mm | 0.51 | .72 | .88 | 1.14 | 1.24 |
用于制备销钉的碳纤维增强树脂基复合材料可以是SiC/双马树脂、T650/双马树脂、T300/环氧、T300/双马树脂、P100/环氧、S玻纤/环氧，销钉坯的材料可以是钛合金、不锈钢、铝合金等等。
2）碳纤维复合材料销钉的制备
如图2所示，采用拉挤成型工艺制作含炭纤维增强树脂基复合材料销钉，具体是由供给置1提供连续的纤维长丝7，该纤维长丝7经纤维导向装置2进入浸胶槽3，在浸胶槽3内使销钉坯8与纤维长丝7结合固定，从浸胶槽3出来的纤维长丝7连同销钉坯8一起进入到升温模具4内进行固化，再由牵引装置5的牵引进入卷绕装置6，由卷绕装置6以卷装的形式缠绕起来，以便贮存和运输。
另，为了提高拉挤成型的速率，可以在纤维长丝7通过浸渍槽3前对纤维长丝7进行预热，同时适当加热浸渍槽3来调节浸渍槽3内的树脂温度，以降低树脂的粘度，增加销钉坯8与纤维长丝7的粘接固定。另外，还可在销钉坯8在满足一定刚度的情况下，在升温模具4内不完全固化的情况下就进行卷绕，再将整个卷装放入升温箱内直至固化完全，这种方法虽然多了一道后固化工序，但能提高拉挤速率，同时降低了牵引力要求和模具要求。
3）含复合材料销钉的泡沫预制体的制备
为防止碳纤维复合材料销钉在嵌入层合板的过程中发生屈曲，先将原卷绕贮存的碳纤维复合材料销钉进行切割，并在碳纤维复合材料销钉被植入预浸料或泡沫预制体前, 利用加工刀具、打磨电机、磨头等将经固化后的碳纤维复合材料销钉加工制成一定角度的锥体，如图3所示，以降低植入到层合板时的阻力及减小对层合板内纤维长丝的损伤。将加工后的碳纤维复合材料销钉以一定密度正交植入泡沫中得到泡沫预制件。
用于植入碳纤维复合材料销钉的泡沫由两种材料组合而成，分别为低密度泡沫和中密度泡沫，其中低密度泡沫置于上层，在嵌入碳纤维复合材料销钉前起到支撑作用，同时在热压罐或超声波辅助嵌入时能够逐渐融溃，使碳纤维复合材料销钉向下转移到预浸料层板中。中密度泡沫置于下层，防止碳纤维复合材料销钉在受力的情况下发生弯曲。其中，低密度泡沫和中密度泡沫可以为同一材质，如聚氨酯泡沫材料。也可为不同材质，如EPE、聚苯泡沫、聚乙烯泡沫、酚醛泡沫等。
4）将碳纤维复合材料销钉植入复合材料层合板
将碳纤维复合材料销钉***到无人机复合材料层合板内构成3D网络纤维结构，能用于对干态纤维预制体和预浸料进行层间增强。此步骤可由两种方法完成，一种是单根植入，就是将一根根碳纤维复合材料销钉分别嵌入未固化的层合板里。这种单根植入的方式可采用手工方式或射钉枪高速射入的方式嵌入到层合板的预浸料或干织物铺层的层板里。另一种是整体嵌入式, 即引入了泡沫预制件，将若干碳纤维复合材料销钉同时嵌入到无人机机身、机翼的复合材料层合板中。在整体嵌入时可以采用两种不同的方法，其中一种是利用热压罐法的方法，另一种是超声波辅助嵌入技术。下面对将碳纤维复合材料销钉植入无人机复合材料层合板的不同方法作详细介绍。
a） 手工植入
这种手工植入的方式一般在实验阶段使用，将碳纤维复合材料销钉单独的嵌入到预浸料的层板内，成型制备碳纤维复合材料销钉无人机壁板。此方法可分两步完成，一步是采用低温预浸料，利用神飞公司小型无人机生产线设备，采用真空负压成型制备碳纤维复合材料销钉无人机壁板；另一步是采用中温预浸料，利用神飞公司大中型无人机生产线设备，手工植入制备碳纤维复合材料销钉无人机壁板。
b）热压罐植入
热压罐植入是将碳纤维复合材料销钉整体嵌入，具体是通过热压罐成型工艺实现，如图4所示，具体是将含有碳纤维复合材料销钉的泡沫预制体放在未固化的层合板需要增韧的部位，再套上真空袋，随着温度的升高，层合板的预浸层板逐渐软化，同时泡沫预制体逐渐融溃，使碳纤维复合材料销钉在热压罐产生的压力作用下将转移到层合板的层板里，待固化后，将层合板从热压罐中取出，用金刚刀割除多余的泡沫和碳纤维复合材料销钉，得到增强层合复合材料。这种方法适于平面层合板。
另外，在热压罐成型工艺时，由于在嵌入碳纤维复合材料销钉的过程中需要的压力比较大，因此可以泡沫预制体上加一层金属板或硅橡胶板，从而通过压强转变，提升碳纤维复合材料销钉的嵌入压力，同时控制上层低密度泡沫层的厚度，使碳纤维复合材料销钉由泡沫预制体向层合板转移时的阻力减小。
c）超声波辅助
利用专用的超声枪将泡沫预制体中的泡沫预制体压入层合板的层板间，超声枪中的超声波可以带动枪头触角进行高频振动，降低嵌入泡沫预制体需要的作用力，振动产生的热还可以使泡沫预制体的树脂软化，易于泡沫预制体的转移。这种方法与利用热压罐的方法不同，在复合材料层合板固化之前就将多余的泡沫预制件移除。如图5所示，最后将增强后的预浸料放入升温装置中固化即得到具碳纤维复合材料销钉增强层合复合材料。另外，嵌入前泡沫预制件与未固化的层板间需要放置一层聚四氟乙烯涂层织物，其作用是在用金刚刀割除多余的泡沫预制件时能防止层板中碳纤维复合材料销钉因受力而倾倒。
5） 测试报告、分析及数值建模
利用摆锤进行打击测试由上述工艺制成复合材料层合板的层间韧性和板-筋结构的连接性能，同时通过显微成像技术进行实物拍摄，记录碳纤维复合材料销钉对层板间增韧、板-筋间胶接性能的破坏形式。
综上所述，通过上述工艺不仅可以提高层合板间的层间断裂韧性，还可以提升无人机复合材料层合板的结构设计范围，同时也可为复合材料结构连接技术提供新的方向。
Claims (10)
1.用于无人机机身、机翼的复合材料层合板的层间增强工艺，包括以下步骤：
1）采用与无人机复合材料结构中相同的碳纤维和树脂材料，并利用拉挤成型工艺制备碳纤维增强树脂基复合材料销钉；
2) 制备含碳纤维增强树脂基复合材料销钉的泡沫预制体；
3) 将泡沫预制体中的碳纤维增强树脂基复合材料销钉植入用于无人机机身、机翼的复合材料层合板；
4) 对植入碳纤维增强树脂基复合材料销钉后的复合材料层合板进行力学性能测试。
2.根据权利要求1所述的用于无人机机身、机翼的复合材料层合板的层间增强工艺，其特征在于：在上述步骤3) 中利用热压罐法的方法将碳纤维增强树脂基复合材料销钉植入到复合材料层合板的加筋结构与壁板的连接部位。
3.根据权利要求2所述的用于无人机机身、机翼的复合材料层合板的层间增强工艺，其特征在于：所述热压罐法的方法是将含有碳纤维复合材料销钉的泡沫预制体放在未固化的层合板需要增韧的部位，再套上真空袋，随着温度的升高，层合板的预浸层板逐渐软化，同时泡沫预制体逐渐融溃，使碳纤维复合材料销钉在热压罐产生的压力作用下将转移到层合板的层板里，待固化后，将层合板从热压罐中取出，用金刚刀割除多余的泡沫和碳纤维复合材料销钉。
4.根据权利要求1所述的用于无人机机身、机翼的复合材料层合板的层间增强工艺，其特征在于：在上述步骤3) 中利用超声波辅助嵌入技术将碳纤维增强树脂基复合材料销钉植入到复合材料层合板的加筋结构与壁板的连接部位。
5.根据权利要求4所述的用于无人机机身、机翼的复合材料层合板的层间增强工艺，其特征在于：所述超声波辅助嵌入技术利用专用的超声枪将泡沫预制体中的泡沫预制体压入层合板的层板间，超声枪中的超声波带动枪头触角进行高频振动，降低嵌入泡沫预制体需要的作用力，振动产生的热使泡沫预制体的树脂软化，易于泡沫预制体的转移。
6.根据权利要求1所述的用于无人机机身、机翼的复合材料层合板的层间增强工艺，其特征在于：在上述步骤3) 中利用手工植入的方式将碳纤维增强树脂基复合材料销钉单独的植入到复合材料层合板的加筋结构与壁板的连接部位。
7.根据权利要求2至6中任意一项所述的用于无人机机身、机翼的复合材料层合板的层间增强工艺，其特征在于：上述步骤1）中的拉挤成型工艺是由供给置供给连续纤维长丝进入浸胶槽，在浸胶槽内使销钉坯与纤维长丝结合固定，从浸胶槽出来的纤维长丝连同销钉坯一起进入到升温模具进行固化，并以卷装的形式缠绕起来以便贮存和运输。
8.根据权利要求7所述的用于无人机机身、机翼的复合材料层合板的层间增强工艺，其特征在于：在纤维长丝通过浸渍槽前对纤维长丝进行预热，同时加热浸渍槽及调节浸渍槽内树脂温度能降低树脂的粘度。
9.根据权利要求1所述的用于无人机机身、机翼的复合材料层合板的层间增强工艺，其特征在于：用于制备含碳纤维增强树脂基复合材料销钉的碳纤维增强树脂基复合材料为SiC/双马树脂、T650/双马树脂、T300/环氧、T300/双马树脂、P100/环氧或S玻纤/环氧。
10.根据权利要求1所述的用于无人机机身、机翼的复合材料层合板的层间增强工艺，其特征在于：所述含碳纤维增强树脂基复合材料销钉的直径在0.15㎜～1.5㎜之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |