刁子豪
摘 要:隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,大型航空航天器結(jié)構(gòu)發(fā)展需要,在飛行器特有的環(huán)境下,對質(zhì)量和功能提出了更高的要求,復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu)材料,是新一代結(jié)構(gòu)材料一體化的理想結(jié)構(gòu)材料,具有輕質(zhì)、高比剛、高比強(qiáng)性能等特點(diǎn)。本文就新型復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)行簡要的分析探討,希望通過本文能夠給相關(guān)工作者帶來幫助。
關(guān)鍵詞:復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),制備工藝,力學(xué)性能,夾芯結(jié)構(gòu)
1、引言
傳統(tǒng)的飛行器在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面通常將功能系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分開考慮,分開的系統(tǒng)可以分別起到力學(xué)性能的要求和滿足隔熱、電子屏蔽的要求,不過這樣在重量上就增加了很多,在性能上得不到充分的發(fā)揮,為了減輕飛行的質(zhì)量和高比剛度、高比強(qiáng)度等要求,通過研究和開發(fā)一種新型材料,滿足飛行器的性能要求。復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的發(fā)展已經(jīng)越來越成熟,為此,對于新型材料的復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用而生,通過協(xié)同優(yōu)化理念,將材料設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)匯集為一體,這些復(fù)合材料比剛度和比強(qiáng)度都很高,具有良好的發(fā)展前景。
2、復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)形式
復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)之間的孔相互貫通,具有周期性,在大孔隙中填充諸如隔音材料、隔熱材料和阻燃材料等多功能材料,因此,其具有的良好性能在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用,特別是在航空航天、建筑等工程領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛,被認(rèn)為是一種最新的復(fù)合夾芯結(jié)構(gòu)材料。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料又稱為“桁架結(jié)構(gòu)”,是由結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)間連接桿件的單元組成的,并按一定的規(guī)則重復(fù)排列的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)材料,面板的承受載荷就是由連接桿件的密度分布直接決定的。按照點(diǎn)陣單胞元結(jié)構(gòu)形式的不同,可以分為四面體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和三維Kagome點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),如圖1所示:
四面體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是由正四面體單胞元根據(jù)一定的規(guī)則重復(fù)連接在上下面板之間的一種空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是由四棱錐單胞元根據(jù)一定規(guī)則排列的空間結(jié)構(gòu)。而Kagome點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是由2個(gè)正四面體頂對連接而形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。
3、復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)成型方法
復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的原料主要有增強(qiáng)纖維和樹脂,在制造工藝上具有樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制備的共性特點(diǎn)和個(gè)性特點(diǎn)。此外,由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)不同,有直柱型、金字塔型等,因此成型的工藝也具有不同的特點(diǎn),具體如下:
(1)嵌鎖組裝成型工藝
其制備方法為:先在上下面板上按照金字塔排列結(jié)構(gòu)打孔,再利用水切割技術(shù)切割復(fù)合層合板制得桿件;將制得的桿件埋入面板的孔洞中,用樹脂固化組裝成金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu);最后用打磨機(jī)將上下面板磨平。
(2)熱壓模具成型工藝
具體流程為:根據(jù)不同的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)將預(yù)浸料切割成條形;將切割好的預(yù)浸料鋪設(shè)在制備好的模具上,利用熱壓罐成型法制成所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)架;用膠接的方法將制備好的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與面板連接在一起,即制得所需要的復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)。圖2為熱壓模具一體成型工藝圖。
(3)熱膨脹模塑成型工藝
其制備工藝流程為:在剛性模具上鋪設(shè)纖維預(yù)浸料,將制備好的桿件(纖維預(yù)浸料繞硅橡膠軟模卷制而成)放置在按一定順序鋪設(shè)好預(yù)浸料的上下層之間;將組合整體放在兩塊充滿硅橡膠的鋼板之間,放入烘箱中加熱并保溫,使其固化成型;脫模后將空間網(wǎng)架金字塔結(jié)構(gòu)與制備好的面板用膠連接在一起形成復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。
(4)三維編織成型工藝
該工藝具體流程為:根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸制備預(yù)制面板,按編織工藝在預(yù)制面板上打孔;根據(jù)芯材高度將上下預(yù)制面板定位,將纖維束按照穿插編織法編織;將預(yù)制件張拉,放入烘箱使得纖維束固化,降溫后取出,在上下面板上鋪設(shè)層合板。
4、復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究
復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)在近年來得到了很多學(xué)者的大量研究,其中,自點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)研究取得了良好的研究成果,為今后點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)研究奠定了基礎(chǔ),也為完善點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和制備工藝提供了幫助。對于點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,其主要由強(qiáng)度高、厚度薄的面板和輕質(zhì)的芯材所構(gòu)成,在遇到外界的負(fù)荷時(shí),面板主要承受彎曲變形引起的正應(yīng)力,而芯材主要承受厚度橫向的剪切力。表征點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能的手段主要有:平壓性能、側(cè)壓性能、三點(diǎn)彎曲性能及剪切性能。平壓是指垂直于點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)面板的壓縮,主要反映芯材桿件的性能;側(cè)壓性能和三點(diǎn)彎曲性能主要反映面板的性能和芯材桿件的性能;剪切性能主要反映芯材桿件與面板連接問題。
5、展望
復(fù)合材料在近年來得到了快速的發(fā)展,各種制備技術(shù)層出不窮,極大的推進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,為了推動復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的更廣泛應(yīng)用,還需要加大對制備工藝的研究進(jìn)展,隨著工程裝備對結(jié)構(gòu)輕量化要求越來越高,點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料作為一種新型結(jié)構(gòu)功能材料,和傳統(tǒng)材料相比,在比剛度和比強(qiáng)度方面都比較高,具有較高的可設(shè)計(jì)性,也可以填充不同的功能材料,在以后應(yīng)用的范圍將更加廣泛,我們需要投入更多的精力進(jìn)一步研究關(guān)于新型復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),在性能上進(jìn)一步增加,優(yōu)化制備的工藝,盡管點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備工藝還不夠成熟,存在諸多的問題,如面芯界面強(qiáng)度較低、面板容易分層等,不過通過簡化點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制備的工藝,將可以對產(chǎn)品進(jìn)行批量化、低成本的生產(chǎn)。而且可以設(shè)計(jì)出更多的新型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)形式,如曲面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、多層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等,進(jìn)而提高夾芯板結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。
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