[發明專利]Z-pin增強復合材料加筋壁板結構及其成型方法

在審

• 申請號: 201510033054.2
• 申請日: 2015-01-23
• 公開（公告）號: CN104647776A
• 公開（公告）日: 2015-05-27
• 發明（設計）人: 李勇;還大軍;李吻;肖軍
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B29C70/44
• 分類號: B29C70/44;B64C3/26
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 戴朝榮

技術領域

本發明涉及一種Z-pin技術用于增強復合材料加筋壁板結構及其成型方法，屬于復合材料增強技術領域。

背景技術

復合材料加筋壁板結構由于其良好的后屈曲承載能力及減重效果，被廣泛應用于航空結構當中。常見的加筋壁板結構包括：帽型、T型、工型、L型、J型等，其中帽型筋條與其它相比，具有更好的比剛度和結構穩定性，傳遞周向載荷效率高，是機身段等筒狀結構部件的首選。

大量的實驗研究發現，筋條與蒙皮間的界面連接強度遠遠低于復合材料的面內強度。加筋結構在承受后屈曲載荷時，失效主要發生在筋條與蒙皮的膠接界面。這是由于蒙皮屈曲后，載荷傳遞給筋條，使得翼緣承受面外彎曲載荷，極易引起緣條與蒙皮的脫粘。因此，結構在承載時，筋條與蒙皮之間的脫粘往往會導致結構提前破壞，這將對飛機安全構成極大的威脅。為提高加筋與蒙皮間的界面連接強度，將Z-pin三維增強技術應用于帽型加筋壁板結構。

Z-pin三維增強技術是在不連續縫合技術基礎上發展而來的新三維增強技術，Z-pin是指一種金屬類或復合材料類圓柱型短棒，金屬類Z-pin包括不銹鋼、鈦合金、鋁合金，復合材料Z-pin為具有一定強度、剛度的預制體，是通過碳纖維、石英纖維等增強纖維浸膠后，在模具成形固化制備形成。Z-pin技術是將針狀細桿Z-pin植入到鋪迭好的預浸料中形成三維增強，經共固化形成的整體結構。該項技術可明顯改善復合材料層合板的層間韌性，并具有操作簡單、可設計性強、易于整體成型、減重性好、抗剪切、抗剝離性能強、對纖維損傷小的優點。

發明內容

本發明的目的是針對目前復合材料加筋壁板筋條與蒙皮界面強度弱的問題，提供一種采用Z-pin三維增強技術顯著提高筋條與蒙皮的界面連接強度、制造成本低、能避免由于使用緊固件帶來的纖維破壞的Z-pin增強復合材料加筋壁板結構及其成型方法。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為：

Z-pin增強復合材料加筋壁板結構，包括復合材料筋條和蒙皮，復合材料筋條固定在蒙皮上，其中：復合材料筋條與蒙皮連接處，植入用于提高復合材料筋條與蒙皮的連接強度的Z-pin。

為優化上述技術方案，采取的具體措施還包括：

上述的Z-pin植入方向垂直于復合材料筋條與蒙皮的連接面。

上述的復合材料筋條為帽型筋條。

一種Z-pin增強復合材料加筋壁板結構的成型方法，包括以下步驟：

步驟一、通過拉擠工藝制備Z-pin，將Z-pin植入泡沫載體中，制成含Z-pin的泡沫預制體；

步驟二、分別在筋條模具和蒙皮模具上鋪覆復合材料筋條和蒙皮；

步驟三、按照尺寸和位置將蒙皮放置于筋條的上方，將含Z-pin的泡沫預制體放置于復合材料筋條和蒙皮連接部位的上方，將含Z-pin的泡沫預制體中的Z-pin植入復合材料筋條與蒙皮中，使Z-pin貫穿復合材料筋條和蒙皮的連接面；

步驟四、將泡沫載體以及尚未植入復合材料筋條與蒙皮的Z-pin去除；

步驟五、將復合材料筋條、蒙皮以及Z-pin組成的加筋壁板結構封裝，放于熱壓罐中，加熱固化，形成Z-pin增強復合材料加筋壁板結構。

步驟三中，采用超聲槍將Z-pin植入復合材料筋條與蒙皮中。

步驟三中，將Z-pin向下垂直植入復合材料筋條與蒙皮中。

與現有技術相比，本發明提供的一種Z-pin增強復合材料帽型加筋壁板結構筋條與蒙皮連接處界面連接強度的結構，其增強原理如下：當帽型加筋壁板結構受到沿著加筋和蒙皮界面（如圖中沿紙面向里）軸向力時，Z-pin對蒙皮和加筋的橋聯力阻礙裂紋的擴展，減緩裂紋擴展的速度，同時Z-pin的“釘扎”效應和自身變形抑制裂紋擴展。從而提高帽型加筋壁板的界面連接強度。因為直接將Z-pin植入復合材料筋條與蒙皮層合板中非常困難，而且在植入過程中會損傷層合板，通過將Z-pin植入泡沫，使泡沫起到導向的作用，方便將Z-pin植入復合材料筋條與蒙皮中，并降低層合板的損傷。

本發明具有采用Z-pin三維增強技術顯著提高筋條與蒙皮的界面連接強度、制造成本低、能避免由于使用緊固件帶來的纖維破壞的優點。

附圖說明

圖1為不含Z-pin增強的帽型加筋壁板橫截面示意圖；

圖2為第一實施例中將含Z-pin的泡沫預制體放置于加筋壁板橫截面示意圖；

圖3為第一實施例中將Z-pin植入帽型加筋壁板橫截面示意圖；

圖4為第一實施例中去除泡沫和多余Z-pin后的Z-pin增強帽型加筋壁板橫截面示意圖。