專利名稱：一種帽型結(jié)構(gòu)化的預(yù)浸紙片材及其疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料及其成型技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種帽型結(jié)構(gòu)化的預(yù)浸紙片材及其
疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
飛機(jī)結(jié)構(gòu)中廣泛使用加筋、加肋、加墻或帽型等增剛結(jié)構(gòu)，包括多筋、多肋、多墻和多帽型結(jié)構(gòu)等，其結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢(shì)在于卓越的比剛度及其可設(shè)計(jì)性，不論這種結(jié)構(gòu)的選材是金屬、非金屬還是復(fù)合材料，均使得這樣的強(qiáng)化方式造成了結(jié)構(gòu)性能的方向依賴性。另一方面，在制造技術(shù)上，筋、肋、墻或帽型材通常都是先行各自獨(dú)立制造，然后，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材質(zhì)特性，被連接到面板或蒙皮上(即二次加工)，形成工程技術(shù)尺度上的單層面板或蒙皮的增剛結(jié)構(gòu)。因此，可以看出，這種現(xiàn)有的飛機(jī)中廣泛使用的結(jié)構(gòu)一般尺寸較大，屬于單層的結(jié)構(gòu)組件，且只在加筋的展向具有增剛作用，具有極強(qiáng)的方向依賴性。蜂窩結(jié)構(gòu)是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中一個(gè)普遍使用的高比剛度且各向異性的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。蜂窩的材料可以是金屬、高分子或無機(jī)非金屬，其中，預(yù)浸紙是一種最重要的蜂窩選材。預(yù)浸紙蜂窩的制備通常是按照蜂窩結(jié)構(gòu)單元的規(guī)格先進(jìn)行局部涂膠，然后單向拉伸并固化定型，得到連續(xù)的蜂窩，這種蜂窩具有結(jié)構(gòu)的周期性且具有一定的面鋪覆性。但作為最終的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，還必須在蜂窩軸向的垂直方向上粘結(jié)固定面板進(jìn)行封閉以限制其面內(nèi)變形，最后得到工程技術(shù)尺度上的蜂窩夾芯復(fù)合材料，或者說，蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。但蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)一般都具有一定的高度才承受較大的剪力，有一定的載荷承受限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種多層次、多尺度、能承受較大剪力、剛度可調(diào)的帽型結(jié)構(gòu)化的預(yù)浸紙片材及其疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。它通過預(yù)浸紙及其形成的帽型結(jié)構(gòu)的粘結(jié)組合，形成一種降尺度的帽型結(jié)構(gòu)化片材及其疊層輕量化結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有多層次、多尺度的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)空間，高比剛度，面內(nèi)空心透氣，并且選材自由，制備工藝簡(jiǎn)單，是一種新型的結(jié)構(gòu)化的復(fù)合材料，可廣泛應(yīng)用于輕質(zhì)、高剛加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的技術(shù)方案是該疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制備步驟如下(A)準(zhǔn)備預(yù)浸紙，預(yù)浸紙由干態(tài)的紙和預(yù)浸定型膠形成，預(yù)浸紙的名義壓厚為0. 05毫米至0. 2毫米，預(yù)浸紙中定型膠的重量百分比為0. I 20%，定型膠為熱固性樹脂；(B)制備帽型結(jié)構(gòu)，采用模壓或輥壓的方法將步驟(A)中的預(yù)浸紙壓制成帽型結(jié)構(gòu)，帽型結(jié)構(gòu)的預(yù)浸紙厚度為預(yù)浸紙名義壓厚的100% 50%，帽型結(jié)構(gòu)的高度為其預(yù)浸紙厚度的I倍至100倍，帽型結(jié)構(gòu)的帽頂寬為其預(yù)浸紙厚度的I倍至100倍，帽型結(jié)構(gòu)的帽頂與側(cè)邊的夾角為30度至90度；(C)制備疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，將步驟(A)中形成的預(yù)浸料紙和步驟(B)中形成的帽型結(jié)構(gòu)采用熱固性樹脂粘接，熱固性樹脂的厚度為0.01毫米至0. I毫米；該疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的頂層和底層為預(yù)浸紙，其余部分為預(yù)浸紙與帽型結(jié)構(gòu)的組合。所述的疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的頂層和底層中間為預(yù)浸紙與帽型結(jié)構(gòu)的交替組合。所述疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中每層帽型結(jié)構(gòu)的鋪貼角度可以變化以調(diào)整疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體剛度。所述疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的厚度不大于50毫米。所述熱固性樹脂為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂、不飽和聚酯樹脂，氰酸酯樹脂或苯并噁嗪樹脂。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明提出一種周期帽型結(jié)構(gòu)化連續(xù)片材的設(shè)計(jì)思想，其主要材質(zhì)是預(yù)浸紙，預(yù)制加工成為一種連續(xù)的初級(jí)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)；然后，在這種預(yù)制帽型片材的任一個(gè)或兩個(gè)面上粘結(jié)固定一張薄層片材，將限制其沿折疊周期方向的伸縮和面內(nèi)的彎曲變形，形成一種預(yù)制而連續(xù)的次級(jí)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，它可以類比為一種降尺度的周期性帽型增剛結(jié)構(gòu)板。將兩張及兩張以上這樣的次級(jí)結(jié)構(gòu)板按照一定的取向規(guī)律相互疊層粘結(jié)固定，將得到一種具有一定厚度、“結(jié)構(gòu)化”的三維層合復(fù)合材料，它具有極大的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)空間、高比剛度、空心透氣，并且選材自由，制備工藝簡(jiǎn)單，是一種新型的結(jié)構(gòu)化的復(fù)合材料。本發(fā)明以帽型周期結(jié)構(gòu)化連續(xù)片材作為初級(jí)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，以帽型結(jié)構(gòu)封閉因而面內(nèi)伸縮和彎曲變形固定的連續(xù)板材作為次級(jí)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，以這種次級(jí)增強(qiáng)板按照一定取向規(guī)律、相互疊層粘結(jié)固定的三維增強(qiáng)體作為高級(jí)結(jié)構(gòu)，各層次、各尺度都具有獨(dú)立而明確的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要素，因此具有多層次、多尺度的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)空間，結(jié)構(gòu)本身高比剛度、面內(nèi)空心透氣，并且選材自由，制備工藝簡(jiǎn)單，是一種新型的結(jié)構(gòu)化的復(fù)合材料，可廣泛應(yīng)用于輕質(zhì)、高剛加強(qiáng)的航空航天結(jié)構(gòu)應(yīng)用及其他量大面廣的結(jié)構(gòu)應(yīng)用場(chǎng)合。


圖I是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明一種帽型結(jié)構(gòu)化的預(yù)浸紙片材及其疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，制備步驟如下(A)準(zhǔn)備預(yù)浸紙1，預(yù)浸紙由干態(tài)的紙預(yù)浸定型膠形成，預(yù)浸紙的名義壓厚4為
0.05毫米至0. 2毫米，預(yù)浸紙中定型膠的重量百分比為百分之零點(diǎn)一至百分之十，定型膠為熱固性樹脂，熱固性樹脂可為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂、不飽和聚酯樹脂，氰酸酯樹脂或苯并噁嗪樹脂；(B)制備帽型結(jié)構(gòu)3，采用模壓或輥壓的方法將步驟(A)中的預(yù)浸紙壓制成帽型結(jié)構(gòu)3，帽型結(jié)構(gòu)3的厚度5為預(yù)浸紙厚度4的100%至50%，帽型結(jié)構(gòu)3的高度6為其厚度5的I倍至100倍，帽型結(jié)構(gòu)3的帽頂寬7為其厚度5的I倍至100倍，帽型結(jié)構(gòu)3的帽頂與側(cè)邊的夾角8為30度至90度；(C)制備疊層結(jié)構(gòu)，將步驟(A)中形成的預(yù)浸料紙和步驟(B)中形成的帽型結(jié)構(gòu)采用熱固性樹脂層2粘接，熱固性樹脂層2可為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂、不飽和聚酯樹脂，氰酸酯樹脂或苯并噁嗪樹脂，熱固性樹脂層2的厚度9為0. Ol毫米至0. I毫米。本發(fā)明通過預(yù)浸紙及其形成的帽型結(jié)構(gòu)的粘結(jié)組合，形成一種降尺度的帽型結(jié)構(gòu)化片材及其疊層輕量化結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有多層次、多尺度的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)空間，高比剛度，面內(nèi)空心透氣，并且選材自由，制備工藝簡(jiǎn)單，是一種新型的結(jié)構(gòu)化的復(fù)合材料，可廣泛應(yīng)用于輕質(zhì)、高剛加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例I :采用名義厚度為0.08mm芳綸紙模壓帽型結(jié)構(gòu)，粘結(jié)制備8層正交疊層復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)，其具體步驟如下(I)準(zhǔn)備預(yù)浸紙名義厚度為0. 08mm的芳綸紙，采用環(huán)氧3266樹脂按重量百分比為百分之三點(diǎn)五預(yù)浸并固化，獲得預(yù)浸紙(用“P”代替)。(2)模壓制備帽型結(jié)構(gòu)，帽型結(jié)構(gòu)(用“C”代替)的名義厚度為0. 08毫米，帽型結(jié)構(gòu)的高度為2mm，冒頂寬I. 5mm，帽頂與側(cè)邊的夾角為60°，共制備8張這樣的初級(jí)增剛片材。(3)制備正交疊層結(jié)構(gòu)，在帽型結(jié)構(gòu)的帽頂刷涂3266樹脂，將預(yù)浸了環(huán)氧3266樹脂的芳綸紙及其模壓形成的帽型結(jié)構(gòu)按[P/C(0° )/P/C(90° )/C(0° )/P/C(90° )/P]s的順序組合，在烘箱中對(duì)組合體進(jìn)行固化，即可得到整體厚度為25mm的正交疊層復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)。實(shí)施例2 采用名義厚度為0.08_芳綸紙模壓帽型結(jié)構(gòu)，粘結(jié)制備8層準(zhǔn)各向同性疊層復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)。該實(shí)施例與實(shí)施例I的不同在于結(jié)構(gòu)鋪層該為正交的形式，即為芳綸紙及其模壓形成的帽型結(jié)構(gòu)按[P/C(45° )/P/C(0。)/C(-45。)/P/C(90° )/P] s的順序組合，在烘箱中對(duì)組合體進(jìn)行固化，即可得到整體厚度為25mm的正交疊層復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)。實(shí)施例3 采用名義厚度為0. 08mm芳纟侖紙棍壓帽型結(jié)構(gòu),粘結(jié)制備8層正交疊層復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)。該實(shí)施例與實(shí)施例I的不同在于制備帽型結(jié)構(gòu)是采用了自動(dòng)化的輥壓設(shè)備，提高了帽型結(jié)構(gòu)的及其疊層復(fù)合材料板的制備效率，得到了整體厚度為25mm的正交疊層復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)。實(shí)施例4 采用名義厚度為0. 12_植物纖維紙模壓帽型結(jié)構(gòu)，粘結(jié)制備2層正交疊層復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)，其具體步驟如下(I)準(zhǔn)備預(yù)浸紙名義厚度為0. 12mm的植物纖維紙，采用酚醛樹脂按重量百分比為百分之五預(yù)浸并固化，獲得預(yù)浸紙(用“P”代替)。(2)模壓制備帽型結(jié)構(gòu)，帽型結(jié)構(gòu)(用“C”代替)的名義厚度為0. 11毫米，帽型結(jié)構(gòu)的高度為0. 5mm,冒頂寬0. 5mm，帽頂與側(cè)邊的夾角為85°，共制備2張這樣的初級(jí)增剛片材。(3)制備正交疊層結(jié)構(gòu)，在帽型結(jié)構(gòu)的帽頂刷涂酚醛樹脂，將預(yù)浸了酚醛樹脂的植物纖維紙及其模壓形成的帽型結(jié)構(gòu)按[P/C(0° )/C(90° )/P]的順序組合，在烘箱中對(duì)組合體進(jìn)行固化，即可得到整體厚度為I. 4mm的正交疊層復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)。實(shí)施例5 采用名義厚度為0. 15mm植物纖維紙模壓帽型結(jié)構(gòu)，粘結(jié)制備3層U型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其具體步驟如下(I)準(zhǔn)備預(yù)浸紙名義厚度為0. 15mm的植物纖維紙，采用酚醛樹脂按重量百分比為百分之八預(yù)浸并固化，獲得預(yù)浸紙(用“P”代替)。(2)模壓制備帽型結(jié)構(gòu)，帽型結(jié)構(gòu)(用“C”代替)的名義厚度為0. 14毫米，帽型結(jié)構(gòu)的高度為0. 75mm,帽頂寬I. Omm,帽頂與側(cè)邊的夾角為55°，共制備3張這樣的初級(jí)增剛片材。(3)制備U型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，在帽型結(jié)構(gòu)的帽頂刷涂酚醛樹脂，將預(yù)浸了酚醛樹脂的植物纖維紙及其模壓形成的帽型結(jié)構(gòu)在U型模具表面按[P/C(0° )/P/C(0° )/P/ C(0° )/P]的順序逐層組合，在烘箱中對(duì)組合體進(jìn)行固化，即可得到整體厚度為2. 95mm的U型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。實(shí)施例6 采用名義厚度為0. Imm木漿纖維紙模壓帽型結(jié)構(gòu)，粘結(jié)制備5層筒型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其具體步驟如下(I)準(zhǔn)備預(yù)浸紙名義厚度為0. Imm的木漿纖維紙，采用酚醛樹脂按重量百分比為百分之七預(yù)浸并固化，獲得預(yù)浸紙(用“P”代替)。(2)輥壓制備帽型結(jié)構(gòu)，帽型結(jié)構(gòu)(用“C”代替)的名義厚度為0. I毫米，帽型結(jié)構(gòu)的高度為0. 25mm，帽頂寬0. 75mm，帽頂與側(cè)邊的夾角為65°，共制備5張這樣的初級(jí)增剛片材。(3)制備筒型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，在帽型結(jié)構(gòu)的帽頂刷涂酚醛樹脂，將預(yù)浸了酚醛樹脂的植物纖維紙及其模壓形成的帽型結(jié)構(gòu)在U型模具表面按[P/C(0° )/P/C(0° )/P/C(0° )/P/C(0。)/P/C(0° )/P]的順序逐層組合，在烘箱中對(duì)組合體進(jìn)行固化，即可得到整體厚度為I. 9mm的筒型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種帽型結(jié)構(gòu)化的預(yù)浸紙片材及其疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，該疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制備步驟如下 (A)準(zhǔn)備預(yù)浸紙(I)，預(yù)浸紙由干態(tài)的紙和預(yù)浸定型膠形成，預(yù)浸紙的名義壓厚(4)為0.05毫米至0.2毫米，預(yù)浸紙(I)中定型膠的重量百分比為0.1 20%，定型膠為熱固性樹脂； (B)制備帽型結(jié)構(gòu)(3)，采用模壓或輥壓的方法將步驟(A)中的預(yù)浸紙壓制成帽型結(jié)構(gòu)(3)，帽型結(jié)構(gòu)(3)的預(yù)浸紙厚度(5)為預(yù)浸紙名義壓厚(4)的100% 50%，帽型結(jié)構(gòu)(3)的高度(6)為其預(yù)浸紙厚度5的I倍至100倍，帽型結(jié)構(gòu)(3)的帽頂寬(7)為其預(yù)浸紙厚度5的I倍至100倍，帽型結(jié)構(gòu)(3)的帽頂與側(cè)邊的夾角⑶為30度至90度； (C)制備疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，將步驟(A)中形成的預(yù)浸料紙(I)和步驟(B)中形成的帽 型結(jié)構(gòu)(3)采用熱固性樹脂(2)粘接，熱固性樹脂(2)的厚度(9)為0. 01毫米至0. I毫米；該疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的頂層和底層為預(yù)浸紙(I)，其余部分為預(yù)浸紙(I)與帽型結(jié)構(gòu)(3)的組合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帽型結(jié)構(gòu)化的預(yù)浸紙片材及其疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的頂層和底層中間為預(yù)浸紙(I)與帽型結(jié)構(gòu)(3)的交替組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帽型結(jié)構(gòu)化的預(yù)浸紙片材及其疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中每層帽型結(jié)構(gòu)的鋪貼角度可以變化以調(diào)整疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體剛度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帽型結(jié)構(gòu)化的預(yù)浸紙片材及其疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的厚度不大于50毫米。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帽型結(jié)構(gòu)化的預(yù)浸紙片材及其疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述熱固性樹脂為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂、不飽和聚酯樹脂，氰酸酯樹脂或苯并噁嗪樹脂。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帽型結(jié)構(gòu)化的預(yù)浸紙片材及其疊層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，屬于復(fù)合材料及其成型技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過預(yù)浸紙及其形成的帽型片材結(jié)構(gòu)的粘結(jié)組合，形成一種降尺度的帽型結(jié)構(gòu)化片材及其疊層輕量化結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有多層次、多尺度的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)空間，高比剛度，面內(nèi)空心透氣，并且選材自由，制備工藝簡(jiǎn)單，是一種新型的結(jié)構(gòu)化的復(fù)合材料，可廣泛應(yīng)用于輕質(zhì)、高剛加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)B32B38/18GK102653155SQ201210116
公開日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者劉燕峰, 安學(xué)鋒, 張明, 益小蘇 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院