一种预应力双稳态多层组合材料及其制备方法与应用

摘要

本发明涉及一种预应力双稳态多层组合材料及其制备方法与应用。该多层组合材料由两层曲面材料层压平后，以弯矩方向正交的形式贴合固定而成；两层曲面材料层各自均具有回弹至压平前初始状态的内应力。通过将预应力引入到双稳态试样的制备过程，使得双稳态试样具备不发生松弛，曲率和形状可设计，可实现同向变形等特性。本发明涉及的预应力双稳态试样可以在两个薄板之间添加任意材料以实现特殊的功能。

权利要求

1.一种预应力双稳态多层组合材料，其特征在于，由两层曲面材料层压平后，以弯矩方向正交的形式贴合固定而成；两层曲面材料层各自均具有回弹至压平前初始状态的内应力。

2.如权利要求1所述的预应力双稳态多层组合材料，其特征在于，所述的两层曲面材料层以直接贴合或者间接贴合方式固定。

3.如权利要求1所述的预应力双稳态多层组合材料，其特征在于，所述的两层曲面材料层之间还夹持有软材料层。

4.如权利要求3所述的预应力双稳态多层组合材料，其特征在于，所述的软材料层为橡胶层或不低于0.1mm的双面胶层。

5.如权利要求1所述的预应力双稳态多层组合材料，其特征在于，所述的曲面材料层为曲面状钛合金、曲面状橡胶。

6.如权利要求5所述的预应力双稳态多层组合材料，其特征在于，所述的曲面材料层为T300/AG80。

7.如权利要求1所述的预应力双稳态多层组合材料，其特征在于，所述的两层曲面材料层中，上下两层材料相同或不同。

8.如权利要求1所述的预应力双稳态多层组合材料，其特征在于，所述的两层曲面材料层之间优选采用粘合方式固定。

9.一种如权利要求1所述预应力双稳态多层组合材料的制备方法，其特征在于，首先制作两层预先弯曲的曲面材料层；然后将两层曲面材料层进行压平；最后将压平后的两层曲面材料层以弯矩正交的形式贴合固定，得到预应力双稳态多层组合材料。

10.一种含有权利要求1所述预应力双稳态多层组合材料的可重构变形组件。

11.如权利要求10所述的可重构变形组件，其特征在于，所述组件为可重构天线、可变形机翼、可展开雷达罩。

说明书

一种预应力双稳态多层组合材料及其制备方法与应用

技术领域

[0001] 本发明涉及新材料领域，具体涉及一种预应力双稳态多层组合材料及其制备方法与应用。

背景技术

[0002] 随着航空、航天工程的不断发展，对航空、航天器结构提出了节约空间、轻质化、环境自适应能力等诸多要求，可展开，可变形结构得到了越来越多的应用。

[0003] 目前，智能材料、软材料以及复合材料双稳态试样及多稳态试样是可展开，可变形结构的主要方案。但是在工程应用中也受到诸多限制：智能材料和软材料虽然变形能力很强，但是没有承载能力，不适用于承力构件的设计和制备。复合材料双稳态试样及多稳态试样具备变形能力，并且在没有持续能力输入的条件下也可保持稳定状态。然而双稳态试样及多稳态试样层板正交方向上的预应力是纤维与基体材料之间的相互作用。由于基体材料的粘弹性，随着时间的推移，双稳态试样会逐渐发生粘弹性变形，引发结构松弛，并最终失去双稳态试样特性。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于解决现有技术中双稳态试样容易受材料限制且容易发生结构松弛的缺陷，并提供一种不受材料限制的预应力双稳态多层组合材料的制备方法。本发明通过将预应力引入到双稳态试样设计中，使得双稳态多层组合材料具备不发生松弛，曲率和形状可设计，可实现同向变形等特性。

[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0006] 一种预应力双稳态多层组合材料，它由两层曲面材料层压平后，以弯矩方向正交的形式贴合固定而成；两层曲面材料层各自均具有回弹至压平前初始状态的内应力。

[0007] 下面详述本发明的工作原理如下：

[0008] 初始的曲面材料层如图1(a)所示，该曲面可看作是材料层的预弯曲变形，此时薄板内部没有应力分布。将两个曲面薄板压平后，如图1(b)所示，此时由于曲面材料层自身具有弹性，被压平后也就相应具有回弹至压平前初始状态的内应力，其变形能力来源于结构内部的预应力，而非热残余应力。两层曲面材料层在有预弯曲变形的方向上就会产生一个弯矩。将两层曲面材料层采用相应的工艺贴合固定在一起，并保证两层材料的弯矩方向是正交的，如图1(c)所示，此时该组合材料在两个正交方向上会产生两个弯矩。这样，该变体结构会有两种可能的变形情况，分别记作变形A和变形B，在施加适当激励的条件下两种变形状态可以相互转换。

[0009] 基于上述方案，本发明还可以进一步提供如下优选实现方式。需要说明的是，各种优选实现方式的技术特征如果没有冲突，均可相互组合，不构成限制。

[0010] 作为优选，所述的两层曲面材料层以直接贴合或者间接贴合方式固定。直接贴合是指两层材料之间没有其他材料层，直接贴合固定，而间接贴合是指可以在两层曲面材料层之间再增设其他功能材料层。

[0011] 作为优选，所述的两层曲面材料层之间还夹持有软材料层，延缓双稳态组合材料在两种变形之间的跳变过程。

[0012] 作为优选，所述的软材料层为橡胶层或不低于0.1mm的双面胶层，当然也可以是其他的软性材料。

[0013] 作为优选，所述的曲面材料层为曲面状钛合金、曲面状橡胶，优选为T300/AG80。进一步优选为以T300/AG80为材料，经过热压罐成型工艺制成的[0/90/90/0]铺层设计的复合材料薄板。由于曲面材料在被压平后需要具有内应力，因此必然要求材料具有一定的弹性。

[0014] 作为优选，所述的两层曲面材料层中，上下两层材料可以相同也可以不同，根据实际需要进行确定。

[0015] 作为优选，所述的两层曲面材料层之间优选采用粘合方式固定。

[0016] 本发明的另一目的在于提供一种上述预应力双稳态多层组合材料的制备方法，具体为：首先制作两层预先弯曲的曲面材料层；然后将两层曲面材料层进行压平；最后将压平后的两层曲面材料层以弯矩正交的形式贴合固定，得到预应力双稳态多层组合材料。

[0017] 曲面材料层可以是制造过程中已经弯曲的材料，也可以是原先平整的材料经过弯曲变形处理(如热压罐成型工艺)后得到的曲面材料，不做限定。

[0018] 本发明的另一目的在于提供一种含有上述预应力双稳态多层组合材料的可重构变形组件。

[0019] 作为优选，所述组件为可重构天线、可变形机翼、可展开雷达罩等。

[0020] 本发明涉及的多层组合材料是在两层曲面材料层的两个正交方向上形成了预应力，因此有变形能力以及保持稳定状态的能力。除此以外，相对于现有技术而言，本发明的多层组合材料的优点主要是：

[0021] 1)本发明正交方向的两个预应力使两个薄板之间相互作用，因此不会发生松弛。

[0022] 2)本发明材料的弯曲变形是可以调节的，因此理论上可以做出更大的弯曲变形或者设计更厚的组合材料，即该材料的厚度和曲率可设计。

[0023] 3)本发明可以设计出特殊形状的双稳态组合材料，例如抛物面形状。

[0024] 4)本发明的预应力来自于预变形，因此不受限于复合材料，任意弹性较好的材料都可以实现。

[0025] 5)本发明涉及的双稳态组合材料可以采用两层黏贴的方式，因此有同向变形的能力。

[0026] 6)本发明涉及的双稳态组合材料可以在两层曲面材料层之间添加任意特殊的材料以实现特殊的功能。例如，可以在两层曲面材料层之间添加一层软材料，使得发明涉及的双稳态试样跳变过程较为缓慢。

附图说明

[0027] 图1为预应力双稳态多层组合材料的制备过程示意图；其中(a)为预弯曲的曲面材料层，(b)为压平后的曲面材料层，(c)为粘合后曲面材料层的两种变形；

[0028] 图2为实施例中组合材料数值模拟双稳态试样跳变过程。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。

[0030] 实施例1：

[0031] 本实施例的材料选用T300/AG80，单层厚度为0.03mm，采用半径为20cm的圆筒作为模具，采用热压罐成型工艺制作两片尺寸相同的[0/90/90/0]铺层设计的复合材料薄板，分别记为薄板A和薄板B。但两块薄板的弯曲方向不同，其中薄板A在长度方向弯曲，薄板B在宽度方向弯曲。将两个复合材料曲面薄板A、B进行压平，由于材料具有弹性，因此两块薄板各自均具有回弹至压平前初始状态的内应力。然后采用硅胶将两个复合材料曲面薄板以刚好边缘重合的形式粘合在一起，此时薄板A的弯矩方向是与其宽度方向平行的，而薄板B的弯矩方向是与其长度方向平行的，两者贴合后弯矩方向正交。待该组合材料的硅胶粘合剂固结定型后，即得到新型的双稳态试样，它是一种双层组合材料。

[0032] 该材料外荷载等激励条件下，能够在两种变形状态之间进行跳变。为了进一步展示其跳变的机理，对本实施例中组合材料的双稳态试样跳变过程进行数值模拟，其变形过程结果如图2所示。以变形A为例，薄板在长度方向上的弯矩作用下发生弯曲变形后，薄板拱起，高度增大，这就增大了宽度方向上的结构抗弯刚度，并限制了宽度方向上的弯曲变形，从而保证了变形的稳定性，此时变形A可以称作稳态A。然而，在外荷载等激励条件下，薄板高度逐渐减小，宽度方向上的结构抗弯刚度不断降低，最终在宽度方向上的弯矩作用下发生一个跳变，变成B状态并保持变形的稳定性，记作稳态B。

[0033] 实施例2：

[0034] 实施例与实施例1不同的是，选用的材料包含但不限于复合材料。

[0035] 实施例3：

[0036] 实施例与实施例1不同的是，采用复合材料时，单层厚度可以是任意厚度。

[0037] 实施例4：

[0038] 实施例与实施例1不同的是，采用的模具半径可以是任意的半径。

[0039] 实施例5：

[0040] 实施例与实施例1不同的是，采用的模具要求是曲面的，但不一定是圆弧，可以是抛物线等其他曲面。

[0041] 实施例6：

[0042] 实施例与实施例1不同的是，本发明涉及的双稳态试样可以采用不同尺寸、不同曲面、不同曲率的两个曲面薄片黏贴而成。

[0043] 实施例7：

[0044] 实施例与实施例1不同的是，两薄板的制作工艺不一定采用热压罐工艺；任意能够将薄板制作成自由状态下有曲面薄板的工艺均可。

[0045] 实施例8：

[0046] 实施例与实施例1不同的是，两曲面薄板采用的黏贴方式不一定用硅胶黏贴，任意黏贴工艺均可，例如螺钉、订书钉等固定。对于橡胶等材料，也可以直接预制呈曲面片层状。

[0047] 实施例9：

[0048] 实施例与实施例1不同的是，本发明涉及的双稳态试样不仅黏贴两个曲面薄板，可在两薄板之间添加一层软材料(例如橡胶层或0.1mm双面胶)，使得发明涉及的双稳态试样跳变过程较为缓慢。

[0049] 实施例10：

[0050] 实施例与实施例9不同的是，本发明涉及的双稳态试样两薄板之间添加的不一定是软材料，可以在两个薄板之间添加任意特殊的材料以实现特殊的功能。

[0051] 实施例11：

[0052] 基于上述任一实施例中制成的材料，可以用于制造可重构天线、可变形机翼、可展开雷达罩等产品组件。

[0053] 以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。