仿东方龙虱鞘翅板及其制备方法

摘要

本发明涉及一种仿东方龙虱鞘翅轻质板及其制备方法，属于轻质结构领域。它包括上面板（1）、下面板（5）和空腔芯板，其特征在于：上述空腔芯板包括上波纹板（2）和下波纹板（4），其中上波纹板和下波纹板对称粘接，形成若干腰形包络空腔，腰形包络腔体中还嵌套有腰形芯管（3）；上述腰形芯管（3）、上波纹板（2）和上面板（1）之间为面接触，腰形芯管（3）、下波纹板（4）和下面板（5）之间为面接触；上述上面板（1）、上波纹板（2）、下波纹板（4）、下面板（5）均为若干层树脂基碳纤维预浸料布模压固化成型的薄板，上述腰形芯管（3）为若干层树脂基碳纤维预浸料布模压固化成型的空心芯管。本发明有效地提高了芯板的整体性和轻质结构的抗压和抗剪强度。

权利要求

1.一种仿东方龙虱鞘翅板，包括上面板（1）、下面板（5）和空腔芯板，其特征在于：

上述空腔芯板包括上波纹板（2）和下波纹板（4），其中上波纹板和下波纹板对称粘接，形成若干腰形包络空腔，腰形包络腔体中还嵌套有腰形芯管（3）；

上述腰形芯管（3）、上波纹板（2）和上面板（1）之间为面接触，腰形芯管（3）、下波纹板（4）和下面板（5）之间为面接触；

上述上面板（1）、上波纹板（2）、下波纹板（4）、下面板（5）均为若干层树脂基碳纤维预浸料布模压固化成型的薄板，上述腰形芯管（3）为若干层树脂基碳纤维预浸料布模压固化成型的空心芯管。

2.根据权利要求1所述的仿东方龙虱鞘翅板，其特征在于：上述上面板（1）、上波纹板（2）、腰形芯管（3）、下波纹板（4）、下面板（5）通过粘结剂共固化成型。

3.根据权利要求1所述的一种仿东方龙虱鞘翅板，其特征在于：上面板（1）和下面板（5）为曲面板或平板。

4.权利要求1所述的仿东方龙虱鞘翅板的制备方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1、将若干层经纬层压的碳纤维预浸布缠绕在芯管芯模上，利用芯管模具的型腔压紧成型，加热固化后形成腰形芯管（3），然后取出芯管芯模； 其中芯管芯模包括芯管左芯模（12）、芯管中芯模（11）、芯管右芯模（10），芯管芯模还包括用于将芯管左芯模（12）、芯管中芯模（11）、芯管右芯模（10）连接的联接销（6），芯管芯模还包括用于将芯管左芯模（12）、芯管中芯模（11）、芯管右芯模（10）定位于芯管模具上的第一定位销（7）；其中芯管模具由芯管上模具（8）和芯管下模具（9）组成；

步骤2、将若干层下碳纤维预浸料布、腰形芯管（3）、若干层上碳纤维预浸料布依次平铺于波纹板模具中，通过粘结剂共固化成型，形成由上波纹板（2）、腰形芯管（3）和下波纹板（4）组成的空腔芯板；上述波纹板模具包括上压板（16）、波纹板上模具（17）、波纹板下模具（20）、下压板（13），以及将波纹板上模具（17）和波纹板下模具（20）定位于上压板（16）和下压板（13）中的第二定位销（15）和挡块（14）；

步骤3、将空腔芯板与若干层树脂基碳纤维预浸料布粘接形成的上面板（1）、若干层树脂基碳纤维预浸料布粘接形成的下面板（5）共固化成型。

说明书

仿东方龙虱鞘翅板及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及轻质结构领域,具体指的是一种仿东方龙虱鞘翅板及其制备方法。

背景技术

[0002] 近年来高新技术产业的飞速发展，对材料的强重比、刚重比、耐损伤等性能提出了更高的要求；轻质高强耐损伤一直是轨道交通、汽车船舶以及航空航天材料和结构研制追求的目标。轻量化对于能源节约与减小环境污染有着重要意义。采用轻合金材料、轻质结构是实现结构轻量化的主要途径。前者如钛合金、铝合金、镁合金等，但这些材料的允许工作温度较低，而且提升空间有限；后者如蜂窝结构、皱褶结构、泡沫金属、纤维增强复合材料等，可用材料的选择范围较广，强度、刚度、传热、材料拓扑等均可变化，但制造工艺复杂。

[0003] 目前在轻质结构设计与制备方面，检索近年来的专利情况，美国专利USpatent7738691描述了一种仿贝壳轻质结构的参数设计方法及步骤，但没有讨论仿生结构的制备方法及材料；美国专利US patent7255916提出了一种玄武岩纤维增强的金属层状结构材料，可用于航空业，其主要优势是耐损伤；美国专利US patent7285326描述了一种飞机机身外蒙皮内表面的纵、横桁架加强筋板的设计方法，在实现整体机身减重的同时，还能够阻止疲劳裂纹的进一步扩展；美国专利US patent7255738描述了一种夹杂有聚合物泡沫粒子的轻质水泥复合材料的制备方法，粒子外表面被覆分散剂，从而阻止静电吸引产生的粒子团聚。蜂窝结构是一种应用最为广泛的轻质结构，国内在轻质结构方面的专利主要集中于对现有蜂窝板的改进设计及制备方法，例如中国专利CN201080052562.0描述了一种基于碳纤维纸的蜂窝芯，该蜂窝芯由包含20-85%重量的碳纤维絮状物纸材制成，碳纤维具有至少1.5∶1的非圆形截面宽高比。纸材具有至少35％的纤维体积分数。专利CN03116503.6和专利CN201210119212.2分别提出了不同的两种蜂窝结构的加强方式。专利CN03116503.6的多边形栅格特征在于沿着栅格壁交汇处设有加强柱。该结构能有效地减少应力集中,大大提高抗压强度、抗扭曲强度及上层或下层层间的抗剥离强度；专利CN201210119212.2描述的蜂窝结构具有由隔壁包围的六边形单元格以及覆盖蜂窝结构的筒形外周壁。隔壁具有边部和交点。六个边部形成六边形单元格。另外，专利CN201110209742.1提出了一种汉麻双面蜂窝呢，属于纺织面料领域；CN201080016249.1描述了一种能够由压紧形式向展开形式展开的蜂窝板，CN201210273562.4提出了一种真空复合蜂窝板生产工艺。综上，目前轻质化结构存在的主要问题包括以下几方面：①结构材料需进一步轻量化，如以非金属材料完全代替金属材料；②芯体结构与上、下面板的结合面强度较弱，如目前广泛应用的蜂窝板，蜂窝芯体与上、下面板相当于线接触，联接强度较弱；③结构材料的比强度和比模量需进一步提高。采用纤维增强复合材料，并实现纤维的连续性和多样化铺设，有助于在减轻结构重量的同时，提高结构材料的力学性能。但目前广泛使用的蜂窝板常用材料仍为铝蜂窝或复合材料，即上、下面板为碳/环氧复合材料，芯体仍为铝蜂窝材料。可见，轻质化结构在几何构形设计方面迫切需要源创的理念。

发明内容

[0004] 本发明目的在于提供一种适用于工业产品结构的增强减重，基于树脂基碳纤维复合材料的仿东方龙虱鞘翅轻质板及其制备方法。

[0005] 本发明的轻质结构是一种仿东方龙虱鞘翅板，包括上面板、下面板和空腔芯板，空腔芯板包括上波纹板和下波纹板，其中上波纹板和下波纹板对称粘接，形成若干腰形包络空腔，腰形包络腔体中还嵌套有腰形芯管。腰形芯管、上波纹板和上面板之间为面接触，腰形芯管、下波纹板和下面板之间为面接触。上面板、上波纹板和下波纹板、下面板均为若干层树脂基碳纤维预浸料布模压固化成型的薄板，上述腰形芯管为若干层树脂基碳纤维预浸料布模压固化成型的空心芯管。纤维分布方式与纤维层数可根据实际应用进行优化。

[0006] 本发明的一种仿东方龙虱鞘翅板的制备方法，其特征在于包括以下过程：步骤1、将若干层经纬层压的碳纤维预浸布缠绕在芯管芯模上，利用芯管模具的型腔压紧成型，加热固化后形成腰形芯管，然后取出芯管芯模；其中芯管芯模包括芯管左芯模、芯管中芯模、芯管右芯模，芯管芯模还包括用于将芯管左芯模、芯管中芯模、芯管右芯模连接的联接销，芯管芯模还包括用于将芯管左芯模，芯管中芯模，芯管右芯模定位于芯管模具上的第一定位销；其中芯管模具由芯管上模具和芯管下模具组成；步骤2、将若干层下碳纤维预浸料布、腰形芯管、若干层上碳纤维预浸料布依次平铺于波纹板模具中，通过粘结剂共固化成型，形成由上波纹板、腰形芯管和下波纹板组成的空腔芯板；上述波纹板模具包括上压板、波纹板上模具、波纹板下模具、下压板，以及将波纹板上模具和波纹板下模具定位于上压板和下压板中的第二定位销和挡块；

[0007] 步骤3、将空腔芯板与若干层树脂基碳纤维预浸料布粘接形成的上面板、若干层树脂基碳纤维预浸料布粘接形成的下面板共固化成型。

[0008] 本发明所述的一种仿东方龙虱鞘翅板，其特征在于：上面板（1）和下面板（5）为曲面板或平板。

[0009] 本发明与现有的轻质结构材料相比有如下优点：

[0010] 1.本发明所述的仿东方龙虱鞘翅板是一种具有空腔、孔洞的层状复合轻质板。其中，腰形芯管、上波纹板和上面板之间为面接触，腰形芯管、下波纹板和下面板之间为面接触。这种面面接触通过增加界面的联接面积可有效提高界面间的结合强度；

[0011] 2.本发明所述的仿东方龙虱鞘翅板，材料选用树脂基碳纤维预浸料布，进一步实现了结构材料的轻量化。同时，上波纹板和下波纹板纤维连续分布，有效提高了结构的抗拉、抗剪和抗剥离强度；各层的纤维铺设方式可根据实际受载情况进行相应的改进设计，以实现结构局部或整体力学性能的提高，避免了采用局部材料堆积，即增加结构重量来提高结构强度的缺点；

[0012] 3.本发明所述的仿东方龙虱鞘翅板的芯管在加热固化时，由于芯管芯模采用分离组合模芯，模芯间的空隙提供了模芯受热后的变形空间，减小了模腔内的压力，有效避免了芯管的变形；同时，芯管在脱模时采用分模方法，保证芯管脱模后表面光滑平整，没有明显接痕；

[0013] 4.本发明所述的仿东方龙虱鞘翅板上面板、下面板可设计成如甲虫鞘翅有一定曲度的面板，这样可进一步提高结构的抗压性能和抗变形能力。

[0014] 轻质结构在几何构形设计方面具有非常广泛的开发空间。本发明从仿生学的角度出发，通过对东方龙虱鞘翅断面微观结构的研究得到启示，基于树脂基碳纤维复合材料，设计、制备了一种多层纤维连续圆形空腔结构，应用于三明治结构的芯体部分，能够使结构强度大大提高，同时还可以通过改变芯管或波纹板纤维分布方式进一步增强结构的抗压、抗剪力学性能，以提高结构的适应性。此外，由于空腔、孔洞的存在，结构还具有一定的隔热、散热功能。

[0015] 上述仿生轻质板的芯体是一种波纹板与芯管的嵌套结构，具有良好的抗压、抗剪和抗扭曲强度。所述结构是一种高比强度和高比刚度的轻质结构材料，在轨道交通、汽车船舶以及航空航天等高新技术领域有着广泛的应用前景。

附图说明

[0016] 图1为本发明实施例的结构示意图；

[0017] 图2为本发明实施例的结构纤维分布示意图；

[0018] 图3为本发明实施例的制备芯管模具结构示意图；

[0019] 图4为本发明实施例的制备波纹板芯体模具结构示意图；

[0020] 图5仿东方龙虱鞘翅板结构及几何尺寸；

[0021] 图6对比用铝蜂窝板结构及几何尺寸；

[0022] 图中标号名称：1.上面板，2.上波纹板，3.腰形芯管，4.下波纹板，5.下面板，6.联接销，7.第一定位销，8.芯管上模具，9.芯管下模具，10.芯管右芯模，11.芯管中芯模，12.芯管左芯模，13.下压板，14.挡块，15.第二定位销，16.上压板，17.波纹板上模具，
18.层压预浸料布，19.芯管芯模，20.波纹板下模具

具体实施方式

[0023] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，本实例为一种仿东方龙虱鞘翅板，示意图以及结构的纤维分布方式示意图分别如图1、图2。该轻质结构是由面板和空腔芯体组成，五层碳纤维预浸料布组成的芯管空腔形状是由四段对称圆弧面和两段粘接平面构成，芯管外侧是将各芯管组合在一起的三层碳纤维的波纹板，其纤维分布方式及尺寸如图2，图中“-”表示纤维沿周向分布，“×”表示纤维垂直纸面铺设。纤维是0°、90°经纬交错分布铺设。

[0024] 在上述实施例中，原材料选用环氧树脂基碳纤维预浸料布，现对制备流程和模具设计说明如下：

[0025] 其制备过程包括手工铺层，模压成型和共固化胶接成形等步骤。具体的，制备过程主要分为三步：①首先制作碳纤维芯管，如图3，将三层经纬层压的预浸布缠绕在模芯上，通过模具的型腔压紧成型，加热固化后，取出碳纤维芯管；②制作纤维连续圆形空腔结构芯体，将制备好的碳纤维圆管作为成型模芯，将层叠好的预浸料布，通过模具成型为波纹板，和碳纤维芯管一起加热固化，脱模后获得芯体结构；③芯体和预浸料面板共固化成型。

[0026] 模具设计主要包括芯管模具和芯板模具：1)芯管模具结构设计。结构示意图如图3，芯模分为芯管左芯模12、芯管中芯模11、芯管右芯模10三部分；芯模之间靠联接销6保证芯管内表面形状，通过定位销7保证芯管在模具型腔内的位置。2)芯体模具结构设计。
结构示意图如图4，波纹板采用一套组合模具成型，包括波纹板上模具17和波纹板下模具
20，组合模具之间采用定位销15和挡块14定位。

[0027] 本发明所述的仿东方龙虱鞘翅板中纤维分布方式并不仅局限于实施例，可根据实际受力情况在纤维层数和纤维缠绕、交错分布方式等方面进行调整。仿生结构的制备工艺也可根据数量规模做相应调整，如选择预浸料布剪裁或纤维自动铺放缠绕设备等。

[0028] 本发明实施例中，结构的孔隙率为70%，比重为0.43。制备仿东方龙虱鞘翅板试样，尺寸如图5所示。图中，尺寸参数B=26mm，W=25mm，H=9.3mm，t=0.13mm，R=4mm，θ=75°，L=2.04mm，D=2mm。通过万能试验机（长春试验机研究所，DNS系列）进行准静态压缩实验，得-3到结构受垂直面板的压缩载荷作用时，其平面压缩比强度为20.8Mpa/（g·cm ），比模量为-3
6.5Mpa/（g·cm ）。相同孔隙率的铝蜂窝结构（面板为碳/环氧复合材料）的尺寸如图6所示，图中参数为B′＝7.44mm，W′＝8.6mm，L′=2.48mm，H′=4.96mm，t′＝0.12mm。采-3
用有限元法分析得仿东方龙虱鞘翅板沿芯孔轴向的压缩比强度为289Mpa/（g·cm ），比模-3
量为425.5Mpa/（g·cm ），分别是上述铝蜂窝板平面压缩比强度和比模量的8.3倍和6.2倍。