复合材料Z向增强超声植入方法

摘要

本发明公开了一种复合材料Z向增强超声植入方法，用于解决现有含Z‑pin强化的纤维预制体制造方法实用性差的技术问题。技术方案是首先制备碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体；再采用拉挤成型工艺制备碳纤维Z‑pin构件；使用钢针在碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体上制备预制孔洞；将碳纤维Z‑pin构件植入到预制孔洞中；对预制体外的碳纤维Z‑pin构件进行修整。本发明在将碳纤维Z‑pin构件植入预制体前，预先使用钢针在相应位置处制备预制孔洞，使得碳纤维Z‑pin构件更容易植入到厚度较大的预制体中，同时降低了碳纤维Z‑pin构件在植入过程中对预制体造成的伤害，从而减小复合材料的面内性能损失，实用性好。

权利要求

1.一种复合材料Z向增强超声植入方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、制备碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体(1)；

步骤二、采用拉挤成型工艺制备碳纤维Z-pin构件(5)，经升温模具固化和裁剪加工，得到碳纤维Z-pin构件(5)；

步骤三、在碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体(1)上按照2～8mm的行/列间距规划待碳纤维Z-pin构件(5)植入的位置，并借助超声振动设备将直径与碳纤维Z-pin构件(5)相同的钢针(2)植入到碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体(1)的待Z-pin强化位置，再将钢针(2)从碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体(1)中拔出，在碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体(1)上得到待碳纤维Z-pin构件(5)植入的预制孔洞(3)，使得碳纤维Z-pin构件更容易植入到厚度较大的预制体中，同降低碳纤维Z-pin构件在植入过程中对预制体造成的伤害；所述钢针(2)与碳纤维Z-pin构件(5)的直径相同，均为0.1mm数量级；

步骤四、将已经植入到泡沫载体(4)中的碳纤维Z-pin构件(5)放置于碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体(1)上，使泡沫载体(4)中的碳纤维Z-pin构件(5)植入端对准碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体(1)表面上的预制孔洞(3)，再次借助超声振动设备，将碳纤维Z-pin构件(5)植入到预制孔洞(3)中；

步骤五、使用裁刀对碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体(1)外的碳纤维Z-pin构件(5)进行加工修整，除去碳纤维Z-pin构件(5)上的多余部分，使碳纤维Z-pin构件(5)与碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体(1)的外表面平齐。

2.根据权利要求1所述的复合材料Z向增强超声植入方法，其特征在于：使用超声振动植入设备将碳纤维Z-pin构件(5)锤击植入预制孔洞(3)中的植入时间控制在10s以内。

说明书

复合材料Z向增强超声植入方法

技术领域

[0001] 本发明属于复合材料Z-pin(即Z向增强)技术领域，特别涉及一种复合材料Z向增强超声植入方法。

背景技术

[0002] 大部分的先进复合材料是由预浸料铺叠后固化而成，对于由预浸料制备而成的复合材料层合板，其层间性能较弱，对外物的冲击相当敏感，即使在较低能量物体的冲击下，也会在层合板内造成诸如纤维断裂、基体开裂、分层等损伤，造成其力学性能较大幅度的下降。层间性能不足是复合材料层合板的最大弱点，提高层间性能的方法大致可以分为两类：(1)通过改善组分材料性能来提高层合板层间韧性的材料学方法；(2)在厚度方向上引入增强纤维的结构设计方法，如Z-pin技术、三维编织、缝合技术等。

[0003] 复合材料层合板易分层，分层损伤会对结构强度产生严重影响，分层界面由于应力集中更加容易产生裂纹。在提高层间韧性的技术中，较其它方式而言，Z-pin增强技术具有生产成本低，生产制备简单，工艺质量便于控制等优点。Z-pin的存在可以显著提高层压板的层间强度和分层阻力，同时可以对部分结构进行局部强化。

[0004] 文献“专利申请号是201310694677.5的中国发明专利”公开了一种含Z-pin强化的纤维预制体制造方法，该方法首先制备含Z-pin的泡沫预制体，并将制备完毕的泡沫预制体放置于待强化的纤维预制体表面，然后使用超声植入装置将泡沫预制体中的Z-pin直接压入所述纤维预制体中。理论上可以使用这种方法将Z-pin植入纤维预制体中进行纵向强化。但实际中，由于预制体中的纤维交错致密分布，且碳纤维Z-pin构件往往直径较小(一般为
0.1mm数量级)，当植入到预制体中的一定深度时，碳纤维Z-pin构件的前端由于磨损便不再锐利，开始出现分岔，这使得植入阻力迅速上升，同时开始对预制体中的纤维造成更大范围的破坏，当碳纤维Z-pin构件的前端阻力增加到一定程度时，便不能继续植入，若通过增加外力的方式将碳纤维Z-pin构件强行压入，则有可能造成层合板预制体综合性能的大幅下降。

[0005] 航空航天等领域的复合材料层合板构件厚度已经超过50mm，使用现有的Z-pin超声植入方法已经无法满足这类大厚度构件的综合性能提升。在查阅大量相关技术资料的情况下，发现目前国内还没有一种适合于大厚度、难植入、易损伤的复合材料层合板预制体的层间强化技术。因此，若能在现有Z-pin超声植入方法的基础上，引入部分创新，使Z-pin超声植入在满足大厚度层合板预制体高效植入的前提下，同时大幅提升复合材料的综合性能，这对复合材料在各个领域的大规模应用具有重要的意义。

发明内容

[0006] 为了克服现有含Z-pin强化的纤维预制体制造方法实用性差的不足，本发明提供一种复合材料Z向增强超声植入方法。该方法首先制备碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体；再采用拉挤成型工艺制备碳纤维Z-pin构件；使用钢针在碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体上按照2～8mm的行/列间距分布规律借助超声振动设备制备预制孔洞；将碳纤维Z-pin构件借助超声振动设备植入到钢针制备的预制孔洞中；对预制体外的碳纤维Z-pin构件进行加工修整。本发明在将碳纤维Z-pin构件植入预制体前，预先使用钢针在相应位置处制备预制孔洞，使得碳纤维Z-pin构件更容易植入到厚度较大的预制体中，同时降低了碳纤维Z-pin构件在植入过程中对预制体造成的伤害，从而减小复合材料的面内性能损失，实用性好。

[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种复合材料Z向增强超声植入方法，其特点是包括以下步骤：

[0008] 步骤一、制备碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体1；

[0009] 步骤二、采用拉挤成型工艺制备碳纤维Z-pin构件5，经升温模具固化和裁剪加工，得到碳纤维Z-pin构件5；

[0010] 步骤三、在碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体1上按照2～8mm的行/列间距规划待碳纤维Z-pin构件5植入的位置，并借助超声振动设备将直径与碳纤维Z-pin构件5相同的钢针2植入到碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体1的待Z-pin强化位置，再将钢针2从碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体1中拔出，在碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体1上得到待碳纤维Z-pin构件5植入的预制孔洞3；

[0011] 步骤四、将已经植入到泡沫载体4中的碳纤维Z-pin构件5放置于碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体1上，使泡沫载体4中的碳纤维Z-pin构件5植入端对准碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体1表面上的预制孔洞3，再次借助超声振动设备，将碳纤维Z-pin构件5植入到预制孔洞3中；

[0012] 步骤五、使用裁刀对碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体1外的碳纤维Z-pin构件5进行加工修整，除去碳纤维Z-pin构件5上的多余部分，使碳纤维Z-pin构件5与碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体1的外表面平齐。

[0013] 优选地，所述钢针2与碳纤维Z-pin构件5的直径相同。

[0014] 优选地，使用超声振动植入设备将碳纤维Z-pin构件5锤击植入预制孔洞3中的植入时间控制在10s以内。

[0015] 本发明的有益效果是：该方法首先制备碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体；再采用拉挤成型工艺制备碳纤维Z-pin构件；使用钢针在碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体上按照2～8mm的行/列间距分布规律借助超声振动设备制备预制孔洞；将碳纤维Z-pin构件借助超声振动设备植入到钢针制备的预制孔洞中；对预制体外的碳纤维Z-pin构件进行加工修整。本发明在将碳纤维Z-pin构件植入预制体前，预先使用钢针在相应位置处制备预制孔洞，使得碳纤维Z-pin构件更容易植入到厚度较大的预制体中，同时降低了碳纤维Z-pin构件在植入过程中对预制体造成的伤害，从而减小复合材料的面内性能损失，实用性好。

[0016] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

[0017] 图1是本发明复合材料Z向增强超声植入方法中使用钢针在碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体中制备预制孔洞的剖面示意图。

[0018] 图2是本发明方法中将钢针从预制孔洞中拔出后的俯视图。

[0019] 图3是本发明方法中将碳纤维Z-pin构件植入带有预制孔洞的碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体中的剖面示意图。

[0020] 图4是本发明方法所用钢针的示意图。

[0021] 图5是本发明方法中的碳纤维Z-pin构件示意图。

[0022] 图中，1-碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体，2-钢针，3-预制孔洞，4-泡沫载体，5-碳纤维Z-pin构件。

具体实施方式

[0023] 参照图1-5。本发明用于顺利地将碳纤维Z-pin构件植入厚度超过20mm的碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体中，具体步骤如下：

[0024] 步骤一、制备碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体1；

[0025] 步骤二、采用拉挤成型工艺制备碳纤维Z-pin构件5，经升温模具固化、裁剪加工，得到设计长度和直径的碳纤维Z-pin构件5；

[0026] 步骤三、在层合板预制体上按照2～8mm的行/列间距规划好待碳纤维Z-pin构件5植入的位置，并借助超声振动设备将直径与碳纤维Z-pin构件5相同的钢针2植入到碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体1的待Z-pin强化位置，再将钢针2从碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体1中拔出，从而在碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体1上得到待碳纤维Z-pin构件5植入的预制孔洞3；

[0027] 步骤四、将已经植入到泡沫载体4中的碳纤维Z-pin构件5放置于碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体1，使泡沫载体4中的碳纤维Z-pin构件5植入端对准碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体1表面上的预制孔洞3，再次借助超声振动设备，将碳纤维Z-pin构件5植入到预制孔洞3中；

[0028] 步骤五、使用裁刀对碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体1外的碳纤维Z-pin构件5进行加工修整，除去碳纤维Z-pin构件5上的多余部分，使碳纤维Z-pin构件5与碳纤维增强树脂基复合材料层合板预制体1的外表面平齐。

[0029] 优选地，所述钢针以及碳纤维Z-pin构件的直径相同，且均为0.1mm数量级。

[0030] 优选地，使用超声振动植入设备将碳纤维Z-pin构件快速锤击植入预制孔洞中的植入时间控制在10s以内。