一种纤维增强聚合物基复合材料T型接头及其制作方法

摘要

本发明公开了一种纤维增强聚合物基复合材料T型接头及其制作方法，T型接头是由垂直腹板、仿生过渡圆角区和下壁板组成，仿生过渡圆角区两端分别固定连接垂直腹板和下壁板。本发明采用具有多功能的仿生过渡圆角区来连接垂直腹板和下壁板，提高了T型接头的抗拉性能和抗弯性能，具有良好的韧性和损伤容限，缓解了应力集中效应，复合材料单元节在仿生过渡圆角区域内形成的错位结构，可以有效的阻碍裂纹的扩展，提高了连接部位的损伤容限，降低了T型接头发生灾难性结构破坏的风险。

权利要求

1.一种纤维增强聚合物基复合材料T型接头，其特征在于：是由垂直腹板(1)、仿生过渡圆角区(2)和下壁板(3)组成，仿生过渡圆角区(2)两端分别固定连接垂直腹板(1)和下壁板(3)；仿生过渡圆角区(2)包括抗拉单元体(21)和数个抗弯单元列(22)，数个抗弯单元列(22)设置在抗拉单元体(21)两侧，抗弯单元列(22)具有数个复合材料单元节(221)；

所述抗拉单元体(21)一侧至仿生过渡圆角区(2)的最外侧的复合材料单元节(221)数量满足首项为2，公差为1的等差数列，抗弯单元列(22)的总列数不小于6列的偶数列，复合材料单元节(221)的节间距和自身厚度之比限定在1:1-1:5之间，复合材料单元节在仿生过渡圆角区内为错位结构。

2.根据权利要求1所述的一种纤维增强聚合物基复合材料T型接头，其特征在于：所述垂直腹板(1)与仿生过渡圆角区(2)之间的界面结合角a限定在100°-120°之间，仿生过渡圆角区(2)与下壁板(3)之间的界面结合角b限定在100°-120°之间。

3.根据权利要求1所述的一种纤维增强聚合物基复合材料T型接头，其特征在于：所述垂直腹板(1)、下壁板(3)和仿生过渡圆角区(2)的材料包含聚合物。

4.根据权利要求3所述的一种纤维增强聚合物基复合材料T型接头，其特征在于：所述的聚合物为环氧树脂或热塑聚乙烯或聚苯乙烯或聚酰胺或聚碳酸酯或聚丙烯树脂。

5.根据权利要求1所述的一种纤维增强聚合物基复合材料T型接头，其特征在于：所述垂直腹板(1)、下壁板(3)和仿生过渡圆角区(2)的材料包含增强纤维。

6.根据权利要求5所述的一种纤维增强聚合物基复合材料T型接头，其特征在于：所述的增强纤维为玻璃纤维或硼纤维或碳纤维或芳纶纤维或碳化硅纤维或氧化铝纤维。

说明书

一种纤维增强聚合物基复合材料T型接头及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种复合材料的接头，特别涉及一种纤维增强聚合物基复合材料T型接头及其制作方法。

背景技术

[0002] 在船舶和飞行器的设计和制造中，需要使用大量的复合材料部件，由于复合材料不同于金属材料和单一的高分子聚合物，具有很强的各向异性，其连接性问题受到了广泛的关注。复合材料部件的一种典型的连接形式为T型接头，在航空航天和船舶制造业中被广泛使用T型接头的部分包括：舱壁与蒙皮的连接、机翼梁与蒙皮的连接以及增强板与蒙皮的连接等。传统的复合材料T型接头通过螺钉或铆钉将垂直腹板和下壁板通过机械连接制成，这种连接方式会切断复合材料内部的增强纤维，造成应力分布的不均匀，同时因开孔而产生的局部应力会使T型接头发生灾难性结构破坏的风险急剧增加。

[0003] 目前，国内外对于复合材料T型接头的设计以及其连接性能的研究已经取得了一些进展，许多现代化技术被应用来提高复合材料T型接头的性能，包括横向缝合技术、钢化粘合剂粘接技术，热塑性树脂交错成型技术以及Z向销钉增强技术等。采用这些技术制成的T型接头普遍会面临的问题是，在垂直腹板与下壁板结合处会形成一个富含树脂的圆角区，由于该区域缺少承载纤维，不仅会破坏垂直腹板与下壁板之间的应力传导作用，而且裂纹往往在这一区域产生并充分扩散最终导致连接的失效，而使用纤维插入技术将纤维桩插入垂直腹板与下壁板间的连接界面，虽然会在一定程度上起到加固连接的作用，但同时又会引入因几何形状突变和材料机械性能的不匹配而产生的应力集中，增加接头的断裂风险。

发明内容

[0004] 本发明的目的是要解决上述现有T型接头缺少承载纤维，会破坏垂直腹板与下壁板之间的应力传导作用，易产生的应力集中，连接方式会切断复合材料内部的增强纤维，造成应力分布的不均匀，T型接头结构破坏容易被破坏等问题，而提供一种纤维增强聚合物基复合材料T型接头及其制作方法。

[0005] 本发明之纤维增强聚合物基复合材料T型接头是由垂直腹板、仿生过渡圆角区和下壁板组成，仿生过渡圆角区两端分别固定连接垂直腹板和下壁板；仿生过渡圆角区包括抗拉单元体和数个抗弯单元列，数个抗弯单元列设置在抗拉单元体两侧，抗弯单元列具有数个复合材料单元节；垂直腹板与仿生过渡圆角区之间的界面结合角a限定在100°-120°之间，仿生过渡圆角区与下壁板之间的界面结合角b限定在100°-120°之间。

[0006] 垂直腹板、下壁板和仿生过渡圆角区的材料包含聚合物基体，如环氧树脂或热塑聚乙烯或聚苯乙烯或聚酰胺或聚碳酸酯或聚丙烯树脂；

[0007] 垂直腹板、下壁板和仿生过渡圆角区的材料包含增强纤维；

[0008] 抗拉单元体一侧至仿生过渡圆角区的最外侧的复合材料单元节数量满足首项为2，公差为1的等差数列，抗弯单元列的总列数不小于6列的偶数列，复合材料单元节的节间距和自身厚度之比限定在1:1-1:5之间，复合材料单元节在仿生过渡圆角区内为错位结构。

[0009] 本发明的纤维增强聚合物基复合材料T型接头的制作方法如下：

[0010] 第一步：将碳纤维布用液态环氧树脂浸渍，形成厚度为0.5mm的预浸料片，然后进行铺覆，纤维与Z轴角度按照层数增加而递增45°，第一层纤维与Z轴成0°，第二层为45°，依次铺覆，加热烘干冷却后制成厚度为60mm的垂直腹板的预成型件，然后使用相同的方法分别制成一块厚度为60mm的下壁板，1块厚度为15mm的抗拉单元体和6块厚度为9mm的抗弯单元列；

[0011] 第二步：根据预先设定的方案，使用3D打印机制成复合材料T型接头整体固化模具和仿生过渡圆角区的组合模具，并使用螺栓将这两个模具进行装配，仿生过渡圆角区的组合模具用来将抗拉单元体和抗弯单元列组合成最终的仿生过渡圆角区，其中，6块抗弯单元列以抗拉单元体为中心左右对称排列，且相邻两列抗弯单元列的夹角固定为5°，最外侧抗拉单元列之间的夹角固定为105°，抗弯单元列内的各个复合材料单元节间距统一固定为1.5mm，垂直腹板与仿生过渡圆角区域之间以及仿生过渡圆角区与下壁板之间的界面结合角全部固定为120°，然后，将垂直腹板、下壁板、抗拉单元体和抗弯单元列的预成型件分别进行裁剪，放入模具进行定位后压实形成各自最终的尺寸和形状；

[0012] 第三步：将组合仿生过渡圆角区用的仿生过渡圆角区的组合模具取出，然后把复合材料T型接头整体固化模具加盖并用螺栓密封，开始进行树脂传递模塑(RTM)处理；首先将环氧树脂预热至80以上，然后将其送入热交换器继续加热至160以上，同时复合材料T型接头整体固化模具也加热至相同的温度，下一步，将复合材料T型接头整体固化模具抽真空，在600kPa以上的压强下注入树脂，待液态环氧树脂充分填充所有预成型件间的空隙后，将模具继续加热至180并固化两个小时以上，然后脱模，得到最终的纤维增强聚合物基复合材料T型接头。

[0013] 本发明的工作原理和过程：

[0014] 本发明模仿哺乳动物的肌腱与骨连接处的分级结构和虾夷扇贝光辉层内文石棱柱的错位组合方式来加固垂直腹板与下壁板结合处的圆角区域，使其具有更高的韧性和损伤容限，采用具有多功能的仿生过渡圆角区来连接垂直腹板和下壁板，其中的抗拉单元体主要承受作用于垂直腹板且与垂直腹板纵向轴线平行的拉伸载荷，而抗弯单元列主要承受作用于垂直腹板且与下壁板水平轴线平行的弯曲载荷，这种设计使复合材料T型接头同时兼顾了优良的抗拉性能和抗弯性能，仿生过渡圆角区内部充满了方向经过优化了的增强纤维，避免了出现传统复合材料T型接头中常见的富含树脂的圆角区，进而缓解了圆角区与垂直腹板和下壁板之间因材料力学性能不匹配所产生的应力集中应。抗拉单元体和抗弯单元列在仿生过渡圆角区内所占的体积分数可以根据T型接头在实际工作中的具体受力情况进行分配，垂直腹板、下壁板、仿生过渡圆角区域及其内部的抗拉单元体和抗弯单元列的预成型件均使用由3D打印技术制作的金属模具按照预先制定好的方案定位合模，并采用共固化法成型，而不能使用粘接膜。

[0015] 本发明的有益效果：

[0016] 本发明结构简单，采用具有多功能的仿生过渡圆角区来连接垂直腹板和下壁板，提高了T型接头的抗拉性能和抗弯性能，具有良好的韧性和损伤容限，且能够有效的使应力在垂直腹板与下壁板之间相互传导，缓解了应力集中效应，复合材料单元节在仿生过渡圆角区域内形成的错位结构，可以有效的阻碍裂纹的扩展，提高了连接部位的损伤容限，降低了T型接头发生灾难性结构破坏的风险。

附图说明

[0017] 图1是本发明之纤维增强聚合物基复合材料T型接头的立体示意图。

[0018] 图2是本发明之纤维增强聚合物基复合材料T型接头的剖视图。

[0019] 图3是本发明所使用的模具示意图。

具体实施方式

[0020] 请参阅图1、图2和图3所示，本发明之纤维增强聚合物基复合材料T型接头是由垂直腹板1、仿生过渡圆角区2和下壁板3组成，仿生过渡圆角区2两端分别固定连接垂直腹板1和下壁板3；仿生过渡圆角区2包括抗拉单元体21和数个抗弯单元列22，数个抗弯单元列22设置在抗拉单元体21两侧，抗弯单元列22具有数个复合材料单元节221；垂直腹板1与仿生过渡圆角区2之间的界面结合角a限定在100°-120°之间，仿生过渡圆角区2与下壁板3之间的界面结合角b限定在100°-120°之间；

[0021] 垂直腹板1、下壁板3和仿生过渡圆角区2的材料包含聚合物，如环氧树脂或热塑聚乙烯或聚苯乙烯或聚酰胺或聚碳酸酯或聚丙烯树脂；

[0022] 垂直腹板1、下壁板3和仿生过渡圆角区2的材料包含增强纤维；

[0023] 抗拉单元体21一侧至仿生过渡圆角区2的最外侧的复合材料单元节221数量满足首项为2，公差为1的等差数列，抗弯单元列22的总列数不小于6列的偶数列，复合材料单元节221的节间距和自身厚度之比限定在1:1-1:5之间，复合材料单元节在仿生过渡圆角区内为错位结构。

[0024] 本实施例的纤维增强聚合物基复合材料T型接头的制作方法如下：

[0025] 第一步：将碳纤维布用液态环氧树脂浸渍，形成厚度为0.5mm的预浸料片，然后进行铺覆，纤维与Z轴角度按照层数增加而递增45°，第一层纤维与Z轴成0°，第二层为45°，依次铺覆，加热烘干冷却后制成厚度为60mm的垂直腹板1的预成型件，然后使用相同的方法分别制成一块厚度为60mm的下壁板3，1块厚度为15mm的抗拉单元体21和6块厚度为9mm的抗弯单元列22；

[0026] 第二步：根据预先设定的方案，使用3D打印机制成复合材料T型接头整体固化模具和仿生过渡圆角区的组合模具，并使用螺栓将这两个模具进行装配，仿生过渡圆角区的组合模具用来将抗拉单元体21和抗弯单元列22组合成最终的仿生过渡圆角区2，其中，6块抗弯单元列以抗拉单元体为中心左右对称排列，且相邻两列抗弯单元列22的夹角固定为5°，最外侧抗拉单元列22之间的夹角固定为105°，抗弯单元列22内的各个复合材料单元节间距统一固定为1.5mm，垂直腹板1与仿生过渡圆角区域2之间以及仿生过渡圆角区2与下壁板3之间的界面结合角全部固定为120°，然后，将垂直腹板1、下壁板3、抗拉单元体21和抗弯单元列22的预成型件分别进行裁剪，放入模具进行定位后压实形成各自最终的尺寸和形状；

[0027] 第三步：将组合仿生过渡圆角区用的仿生过渡圆角区的组合模具取出，然后把复合材料T型接头整体固化模具加盖并用螺栓密封，开始进行树脂传递模塑(RTM)处理；首先将环氧树脂预热至80以上，然后将其送入热交换器继续加热至160以上，同时复合材料T型接头整体固化模具也加热至相同的温度，下一步，将复合材料T型接头整体固化模具抽真空，在600kPa以上的压强下注入树脂，待液态环氧树脂充分填充所有预成型件间的空隙后，将模具继续加热至180并固化两个小时以上，然后脱模，得到最终的纤维增强聚合物基复合材料T型接头。

[0028] 本发明的工作原理和过程：

[0029] 请参阅图1、图2和图3所示，本发明模仿哺乳动物的肌腱与骨连接处的分级结构和虾夷扇贝光辉层内文石棱柱的错位组合方式来加固垂直腹板1与下壁板3结合处的仿生过渡圆角区2，使其具有更高的韧性和损伤容限，采用具有多功能的仿生过渡圆角区2来连接垂直腹板1和下壁板3，其中的抗拉单元体21主要承受作用于垂直腹板1且与垂直腹板1纵向轴线平行的拉伸载荷，而抗弯单元列22主要承受作用于垂直腹板1且与下壁板3水平轴线平行的弯曲载

[0030] 荷，这种设计使复合材料T型接头同时兼顾了优良的抗拉性能和抗弯性能，仿生过渡圆角区2内部充满了方向经过优化了的增强纤维，避免了出现传统复合材料T型接头中常见的富含树脂的圆角区，进而缓解了圆角区与垂直腹板和下壁板之间因材料力学性能不匹配所产生的应力集中应。抗拉单元体和抗弯单元列在仿生过渡圆角区内所占的体积分数可以根据T型接头在实际工作中的具体受力情况进行分配，垂直腹板1、下壁板2、仿生过渡圆角区2及其内部的抗拉单元体21和抗弯单元列22的预成型件均使用由3D打印技术制作的金属模具按照预先制定好的方案定位合模，并采用共固化法成型，而不能使用粘接膜。