CN115214874A - 一种防变形复合材料翼面夹芯泡沫结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种防变形复合材料翼面夹芯泡沫结构及其制备方法，属于复合材料设计及成型技术领域。防变形复合材料翼面夹芯泡沫结构包括至少两个拱形的泡沫单元，各泡沫单元紧密贴合，各泡沫单元之间的间隙内填充沿翼面展向的纤维条。防变形复合材料翼面包括上泡沫、下泡沫、设置于上泡沫和下泡沫之间的纤维增强底板、以及蒙皮；其中上泡沫、下泡沫均包括至少两个拱形的泡沫单元，各泡沫单元紧密贴合，各泡沫单元之间的间隙内填充沿翼面展向的纤维条。本发明可以明显减小泡沫受压时的变形，使泡沫表面蒙皮纤维的取向更接近于理论设计方向，提高翼面产品质量的一致性及可靠性。

Description

一种防变形复合材料翼面夹芯泡沫结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种防变形复合材料翼面夹芯泡沫结构及其制备方法，属于复合材料设计及成型技术领域。
背景技术
飞行器重量与性能及经济性关系密切，减轻飞行器结构重量是飞机研制工作中的主要目标之一。复合材料翼面具有比刚度和比强度高、抗疲劳和抗腐蚀性能好等优良的力学性能，在航空、航天结构中得到了广泛的应用。
为了进一步降低复合材料翼面的结构重量，可以将翼面设计成纤维面板泡沫夹层的“三明治”结构，泡沫可以选用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫、酚醛树脂泡沫或硬质聚氨酯泡沫。但是由于泡沫的压缩强度有限，而且随着温度的升高其压缩性能会进一步减低，因此在复合材料翼面的制备过程中泡沫会出现较大的变形，影响泡沫表层纤维的准直度，从而影响了翼面产品的刚度和强度，不利于飞行器飞行过程的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防变形复合材料翼面夹芯泡沫结构及其制备方法，该泡沫的结构设计形式可以将泡沫受到的垂直压力向两侧及底部传递，从而提高了泡沫的抗变形能力。
本发明的技术解决方案：
第一方面，本发明提供一种防变形复合材料翼面夹芯泡沫结构，其包括至少两个拱形的泡沫单元，各泡沫单元紧密贴合，各泡沫单元之间的间隙内填充沿翼面展向的纤维条。
优选地，所述的夹芯泡沫结构中的泡沫为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫或酚醛树脂泡沫或聚氨酯泡沫，预先机加成所需要的外形；所述泡沫单元的外形横截面可以是半圆或者圆形的一部分，也可以是抛物线或椭圆的一部分。
可选地，所述各泡沫单元紧密贴合，可以是不同的单块泡沫之间直接紧密贴合，通过胶粘剂粘接，也可以是单块泡沫包覆一定层数的纤维后再进行组合/贴合，相当于组合多个泡沫回型梁。
可选地，所述的夹芯泡沫结构中，不同泡沫单元的外型尺寸可以一样，也可以翼面中间区域的泡沫单元的高度方向的尺寸大于两侧的泡沫单元。
优选地，所述的夹芯泡沫结构分为上泡沫和下泡沫，上泡沫和下泡沫均由至少两个所述泡沫单元进行组合，且各泡沫单元之间的间隙内填充沿翼面展向的纤维条。
优选地，所述的单块泡沫的边缘需要倒圆角，圆角大小为1～3mm，这样可以在用其制成复合材料翼面后最大限度地保留泡沫外面包覆的蒙皮纤维的强度。
第二方面，本发明提供一种上述防变形复合材料翼面夹芯泡沫结构的制备方法，包括以下步骤：
1)泡沫准备：将泡沫板材机加成多个拱形的泡沫单元；
2)泡沫干燥处理：将泡沫单元表面的碎屑清理干净，并将泡沫单元进行干燥处理；
3)泡沫对接并填充纤维预浸料：将每个泡沫单元均匀粘贴胶膜后进行对接，泡沫单元之间由于拱形的外形自然形成的间隙内填充沿翼面展向的纤维条。
优选地，步骤2)所述干燥处理，是将泡沫单元在130℃±5℃的烘箱中干燥3小时。
优选地，步骤3)中泡沫单元之间的间隙内填充的纤维长条，其铺层方向为[90/45/0/-45]，其中0度铺层方向和翼面展向平行。
可选地，步骤3)中的纤维预浸料，其中的纤维可以是碳纤维、玻璃纤维或石英纤维等。
第三方面，本发明提供一种防变形复合材料翼面，其包括上泡沫、下泡沫、设置于上泡沫和下泡沫之间的纤维增强底板、以及蒙皮；其中上泡沫、下泡沫均包括至少两个拱形的泡沫单元，各泡沫单元紧密贴合，各泡沫单元之间的间隙内填充沿翼面展向的纤维条。
所述防变形复合材料翼面中，上泡沫、下泡沫将受到的载荷向两侧和向下传递到腹板(腹板指翼面的侧壁，连接上下蒙皮部分)及内部的纤维增强底板上，另外在拱形泡沫单元之间的间隙内填充的沿翼面展向的纤维条能够进一步提高结构强度。
优选地，所述蒙皮分为上下蒙皮，由纤维和树脂在一定温度和压力下制备而成，可以采用模压、热压罐或RTM等工艺方法成型。所述的纤维可以是碳纤维、玻璃纤维或石英纤维，树脂可以是中温或高温环氧树脂，也可以选用酚醛树脂。
优选地，所述的纤维增强底板，采用与蒙皮相同的纤维和树脂材料预先固化而成，纤维增强底板放置在上泡沫和下泡沫中间，通常为长方形，外包络尺寸和泡沫组合后相同或者略大于泡沫组合后的尺寸，纤维增强底板的厚度通常为2～10mm。
第四方面，本发明提供一种上述防变形复合材料翼面的制备方法，包括以下步骤：
1)将纤维预浸料进行铺覆，并放入平板模具中，利用热压机进行模压固化成型，得到纤维增强底板；
2)将泡沫板材机加成截面为拱形的泡沫单元；
3)将泡沫单元表面的碎屑清理干净，并将泡沫单元进行干燥处理；
4)将每个泡沫单元均匀粘贴胶膜后进行对接，泡沫单元之间的间隙内填充沿翼面展向的纤维条；
5)在拼合后的各泡沫单元表面整体包覆纤维单向预浸料；
6)将包覆预浸料的各泡沫单元装入泡沫成型工装中，将工装放入烘箱，进行固化增强处理；
7)将固化后的各泡沫单元脱模并进行打磨，随后均匀粘贴一层胶膜，再整体包覆纤维预浸料，得到铺覆好的翼面；
8)将铺覆好的翼面装入模压成型模具中，利用热压机进行翼面固化成型，并在自然冷却后进行脱模。
优选地，步骤1)将纤维预浸料按照[45/-45/0/0/90/45/0/-45/0/0/45]s的铺层方向进行铺覆。
优选地，步骤4)中泡沫单元之间的间隙内填充的纤维长条，其铺层方向为[90/45/0/-45]，其中0度铺层方向和翼面展向平行。
优选地，步骤5)中纤维单向预浸料的铺层方向为[90/90/0/90//45/0/-45/90/]s。
优选地，步骤7)中纤维预浸料的铺层方向为[45,0,-45,0,0,0,90,0,45,0,-45,0]s。
本发明的有益效果：
通过翼面试验件的剖切及CT检测，本发明实施例的翼面夹芯泡沫变形量不大于1mm，而传统的翼面产品泡沫的压缩变形量在3mm以上。本发明中泡沫将受到的载荷向两侧和向下传递到腹板及内部的纤维增强底板上，并且在拱形泡沫单元之间的间隙内填充的沿翼面展向的纤维条能够进一步提高结构强度，因此可以明显减小泡沫受压时的变形，使泡沫表面蒙皮纤维的取向更接近于理论设计方向，提高翼面产品质量的一致性及可靠性。
附图说明
图1是本发明的一个实施例中防变形复合材料翼面夹芯泡沫结构的三个泡沫单元示意图。
图2是本发明的一个实施例中防变形复合材料翼面夹芯泡沫结构的泡沫单元之间填补纤维条的示意图。
图3是本发明的一个实施例中上泡沫和下泡沫构成的夹芯泡沫结构的示意图。
图4是本发明的一个实施例中防变形复合材料翼面的上泡沫、下泡沫和纤维增强底板的示意图。
图5是本发明的一个实施例中防变形复合材料翼面的泡沫单元之间填补纤维条的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。
本发明的一个实施例中，提供一种防变形复合材料翼面夹芯泡沫结构，如图1所示，其包括多个拱形的泡沫单元，本实施例为3个拱形的泡沫单元。各泡沫单元紧密贴合，各泡沫单元之间的间隙内填充沿翼面展向的纤维条，如图2所示。
优选地，所述的夹芯泡沫结构中的泡沫为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫或酚醛树脂泡沫或聚氨酯泡沫，预先机加成所需要的外形；所述泡沫单元的外形横截面可以是半圆或者圆形的一部分，也可以是抛物线或椭圆的一部分。
可选地，所述各泡沫单元紧密贴合，可以是不同的单块泡沫之间直接紧密贴合，通过胶粘剂粘接，也可以是单块泡沫包覆一定层数的纤维后再进行组合，相当于组合多个泡沫回型梁。
可选地，所述的夹芯泡沫结构中，不同泡沫单元的外型尺寸可以一样，也可以翼面中间区域的泡沫单元的高度方向的尺寸大于两侧的泡沫单元。
本发明的一个实施例中，提供一种防变形复合材料翼面夹芯泡沫结构，如图3所示，所述的夹芯泡沫结构分为上泡沫和下泡沫，上泡沫和下泡沫均由至少两个所述泡沫单元进行组合，各泡沫单元紧密贴合，且各泡沫单元之间的间隙内填充沿翼面展向的纤维条。其中，泡沫为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫或酚醛树脂泡沫或聚氨酯泡沫，预先机加成所需要的外形；泡沫单元的外形横截面可以是半圆或者圆形的一部分，也可以是抛物线或椭圆的一部分。其中，各泡沫单元紧密贴合，可以是不同的单块泡沫之间直接紧密贴合，通过胶粘剂粘接，也可以是单块泡沫包覆一定层数的纤维后再进行组合，相当于组合多个泡沫回型梁。其中，不同泡沫单元的外型尺寸可以一样，也可以翼面中间区域的泡沫单元的高度方向的尺寸大于两侧的泡沫单元。
本发明的一个实施例中，提供一种防变形复合材料翼面夹芯泡沫结构的制备方法，包括以下步骤：
1)泡沫准备。
将聚甲基丙烯酰亚胺泡沫或其他泡沫板材机加成多个半圆形的泡沫块，即泡沫单元。
2)泡沫干燥处理。
用吹风机将泡沫表面碎屑清理干净，并将泡沫在130℃±5℃的烘箱中进行干燥处理。
3)泡沫对接并填充碳纤维预浸料。
将每块泡沫块上均匀粘贴J-47A胶膜后进行对接，泡沫之间由于拱形的外形自然形成的对接缝填补T700/8522碳纤维长条，碳纤维长条铺层方向为[90/45/0/-45]的准各向同性铺层，其中，0度铺层方向和翼面展向平行。
本发明的一个实施例中，提供一种防变形复合材料翼面，如图4所示，其包括上泡沫、下泡沫、设置于上泡沫和下泡沫之间的纤维增强底板、以及蒙皮(图4中未示意蒙皮)；其中上泡沫、下泡沫均包括至少两个拱形的泡沫单元，各泡沫单元紧密贴合，各泡沫单元之间的间隙内填充沿翼面展向的纤维条，如图5所示。上泡沫、下泡沫将受到的载荷向两侧和向下传递到腹板及内部的纤维增强底板上，另外在拱形泡沫单元之间的间隙内填充的沿翼面展向的纤维条能够进一步提高结构强度。
优选地，所述蒙皮分为上蒙皮、下蒙皮，由纤维和树脂在一定温度和压力下制备而成，可以采用模压、热压罐或RTM等工艺方法成型。所述的纤维可以是碳纤维、玻璃纤维或石英纤维，树脂可以是中温或高温环氧树脂，也可以选用酚醛树脂。
优选地，所述的纤维增强底板，采用与蒙皮相同的纤维和树脂材料预先固化而成，纤维增强底板放置在上泡沫和下泡沫中间，通常为长方形，外包络尺寸和泡沫组合后相同或者略大于泡沫组合后的尺寸，纤维增强底板的厚度通常为2～10mm。
本发明的一个实施例中，提供一种防变形复合材料翼面的制备方法，包括以下步骤：
第一步，碳纤维增强底板准备。将碳纤维预浸料按照设定的的铺层方向进行铺覆，并放入平板模具中，利用热压机进行模压固化成型。
第二步，夹芯泡沫准备。将泡沫板材机加成截面为半圆形的泡沫块。
第三步，泡沫干燥处理。用吹风机将泡沫表面碎屑清理干净，并将泡沫在烘箱中进行干燥处理。
第四步，泡沫对接并填充碳纤维预浸料。将每块泡沫上均匀粘贴胶膜后进行对接，泡沫之间由于拱形的外形自然形成的对接缝填补碳纤维长条。
第五步，泡沫缠绕碳纤维预浸料。在拼合后的泡沫表面整体包覆碳纤维单向预浸料。
第六步，泡沫预固化增强处理。将包覆预浸料的泡沫装入泡沫成型工装中，将工装放入烘箱，进行预固化增强处理。
第七步，翼面铺层。将固化后的泡沫脱模并进行打磨，随后均匀粘贴一层胶膜，再整体包覆碳纤维预浸料。
第八步，翼面固化成型。
将铺覆好的翼面装入模压成型模具中，检测热压机及测温探头工作应正常。用吊车把模具吊到压机台面上，压机上面板与上模具接触。利用热压机进行翼面固化成型。
第九步，翼面脱模。让模具自然冷却后进行脱模。
本发明的一个实施例中，提供一种防变形复合材料翼面的制备方法，该方法的步骤与上述实施例的步骤基本相同，不同之处在于：
第一步中，将碳纤维预浸料按照[45/-45/0/0/90/45/0/-45/0/0/45]s的铺层方向进行铺覆；
第四步中，碳纤维长条铺层方向为[90/45/0/-45]的准各向同性铺层，其中0度铺层方向和翼面展向平行；
第五步中，在拼合后的泡沫表面整体包覆碳纤维单向预浸料的铺层方向为[90/90/0/90//45/0/-45/90/]s；
第七步中，包覆的碳纤维预浸料的铺层方向为[45,0,-45,0,0,0,90,0,45,0,-45,0]s。
本发明的一个实施例中，成型一件使用防变形泡沫作为减重芯层的翼面产品，包括如下步骤：
第一步，碳纤维增强底板准备。
将T700/8522高温环氧预浸料(由碳纤维和树脂构成的预浸料)按照[45/-45/0/0/90/45/0/-45/0/0/45]s的铺层方向进行铺覆(下标s表示对称)，并放入1000mm×1000mm×3mm的平板模具中模压固化成型，将热压机从室温→以(2-5)℃/min的速度升温至130℃±5℃→保温2h→施加0.3MPa的压力→继续升温至185℃±5℃→保温2h，关热压机。
将固化后的碳纤维增强底板沿宽度方向切成3块，每块尺寸1000mm×300mm×3mm。
第二步，夹芯泡沫准备。
将密度为110kg/m3的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫板材机加成3块截面为半圆形的泡沫块，泡沫块长度为1000mm，宽度为100mm。
第三步，泡沫干燥处理。
用吹风机将泡沫表面碎屑清理干净，并将泡沫在130℃±5℃的烘箱中干燥2-4小时，优选为3小时。
第四步，泡沫对接并填充碳纤维预浸料。
将每块泡沫上均匀粘贴J-47A胶膜后进行对接，泡沫之间由于拱形的外形自然形成的对接缝填补T700/8522碳纤维长条，碳纤维长条铺层方向为[90/45/0/-45]的准各向同性铺层，其中，0度铺层方向和翼面展向平行。
第四五步，泡沫缠绕碳纤维预浸料。
将泡沫和碳纤维增强底板粘接在一起，然后在拼合后的泡沫表面整体包覆2mm厚度的T700/8522碳纤维单向预浸料，铺层方向为[90/90/0/90//45/0/-45/90/]s。
第六步，泡沫预固化增强处理。
将包覆预浸料的泡沫装入泡沫成型工装中，将工装放入烘箱，将烘箱升温至130℃后保温2h，再继续升温至185℃保温2h，关烘箱。
第七步，翼面铺层。
将固化后的泡沫脱模并进行打磨，随后均匀粘贴一层J-47A胶膜，再整体包覆厚度为3mm的T700/9368碳纤维预浸料，铺层方向为[45,0,-45,0,0,0,90,0,45,0,-45,0]s。
第八步，翼面固化成型。
将铺覆好的翼面装入模压成型模具中，检测热压机及测温探头工作应正常。用吊车把模具吊到压机台面上，压机上面板与上模具接触。将热压机从室温→以(2-5)℃/min的速度升温至130℃±5℃→保温2h→施加0.3MPa的压力→继续升温至185℃±5℃→保温2h，关热压机。
第九步，翼面脱模。让模具自然冷却至50℃以下进行脱模。
最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种防变形复合材料翼面夹芯泡沫结构，其特征在于，包括至少两个拱形的泡沫单元，各泡沫单元紧密贴合，各泡沫单元之间的间隙内填充沿翼面展向的纤维条。
2.根据权利要求1所述的防变形复合材料翼面夹芯泡沫结构，其特征在于，所述泡沫单元为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫或酚醛树脂泡沫或聚氨酯泡沫；所述拱形的泡沫单元的外形横截面是半圆或者圆形的一部分，或者是抛物线或椭圆的一部分。
3.根据权利要求1所述的防变形复合材料翼面夹芯泡沫结构，其特征在于，所述各泡沫单元紧密贴合，是不同的单块泡沫之间直接紧密贴合，通过胶粘剂粘接；或者是单块泡沫包覆一定层数的纤维后再进行贴合。
4.一种防变形复合材料翼面夹芯泡沫结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将泡沫板材机加成多个拱形的泡沫单元；
2)将泡沫单元表面的碎屑清理干净，并将泡沫单元进行干燥处理；
3)将每个泡沫单元均匀粘贴胶膜后进行对接，泡沫单元之间由于拱形的外形自然形成的间隙内填充沿翼面展向的纤维条。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2)所述干燥处理是将泡沫单元在130℃±5℃的烘箱中干燥3小时。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3)中泡沫单元之间的间隙内填充的纤维长条，其铺层方向为[90/45/0/-45]，其中0度铺层方向和翼面展向平行。
7.一种防变形复合材料翼面，其特征在于，包括上泡沫、下泡沫、设置于上泡沫和下泡沫之间的纤维增强底板、以及蒙皮；其中上泡沫、下泡沫均包括至少两个拱形的泡沫单元，各泡沫单元紧密贴合，各泡沫单元之间的间隙内填充沿翼面展向的纤维条。
8.根据权利要求7所述的防变形复合材料翼面，其特征在于，所述蒙皮分为上下蒙皮，由纤维和树脂在一定温度和压力下制备而成；所述纤维是碳纤维、玻璃纤维或石英纤维；所述树脂是中温或高温环氧树脂，或者是酚醛树脂；所述纤维增强底板采用与蒙皮相同的纤维和树脂材料预先固化而成。
9.一种防变形复合材料翼面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将纤维预浸料进行铺覆，并放入平板模具中，利用热压机进行模压固化成型，得到纤维增强底板；
2)将泡沫板材机加成截面为拱形的泡沫单元；
3)将泡沫单元表面的碎屑清理干净，并将泡沫单元进行干燥处理；
4)将每个泡沫单元均匀粘贴胶膜后进行对接，泡沫单元之间的间隙内填充沿翼面展向的纤维条；
5)在拼合后的各泡沫单元表面整体包覆纤维单向预浸料；
6)将包覆预浸料的各泡沫单元装入泡沫成型工装中，将工装放入烘箱，进行固化增强处理；
7)将固化后的各泡沫单元脱模并进行打磨，随后均匀粘贴一层胶膜，再整体包覆纤维预浸料，得到铺覆好的翼面；
8)将铺覆好的翼面装入模压成型模具中，利用热压机进行翼面固化成型，并在自然冷却后进行脱模。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中纤维预浸料的铺层方向为[45/-45/0/0/90/45/0/-45/0/0/45]s；步骤4)中泡沫单元之间的间隙内填充的纤维长条的铺层方向为[90/45/0/-45]，其中0度铺层方向和翼面展向平行；步骤5)中纤维单向预浸料的铺层方向为[90/90/0/90//45/0/-45/90/]s；步骤7)中纤维预浸料的铺层方向为[45,0,-45,0,0,0,90,0,45,0,-45,0]s。
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