[發(fā)明專利]復(fù)合材料Z向增強(qiáng)超聲植入方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710442270.1
• 申請日: 2017-06-13
• 公開（公告）號(hào): CN107009541B
• 公開（公告）日: 2019-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 史耀耀;周建武;李煒煒;陸人杰;劉維偉
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): B29B11/16
• 分類號(hào): B29B11/16;B29B11/10;B29C65/56;B29C69/00
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發(fā)明公開了一種復(fù)合材料Z向增強(qiáng)超聲植入方法，用于解決現(xiàn)有含Z?pin強(qiáng)化的纖維預(yù)制體制造方法實(shí)用性差的技術(shù)問題。技術(shù)方案是首先制備碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體；再采用拉擠成型工藝制備碳纖維Z?pin構(gòu)件；使用鋼針在碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體上制備預(yù)制孔洞；將碳纖維Z?pin構(gòu)件植入到預(yù)制孔洞中；對預(yù)制體外的碳纖維Z?pin構(gòu)件進(jìn)行修整。本發(fā)明在將碳纖維Z?pin構(gòu)件植入預(yù)制體前，預(yù)先使用鋼針在相應(yīng)位置處制備預(yù)制孔洞，使得碳纖維Z?pin構(gòu)件更容易植入到厚度較大的預(yù)制體中，同時(shí)降低了碳纖維Z?pin構(gòu)件在植入過程中對預(yù)制體造成的傷害，從而減小復(fù)合材料的面內(nèi)性能損失，實(shí)用性好。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料Z-pin(即Z向增強(qiáng))技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種復(fù)合材料Z向增強(qiáng)超聲植入方法。

背景技術(shù)

大部分的先進(jìn)復(fù)合材料是由預(yù)浸料鋪疊后固化而成，對于由預(yù)浸料制備而成的復(fù)合材料層合板，其層間性能較弱，對外物的沖擊相當(dāng)敏感，即使在較低能量物體的沖擊下，也會(huì)在層合板內(nèi)造成諸如纖維斷裂、基體開裂、分層等損傷，造成其力學(xué)性能較大幅度的下降。層間性能不足是復(fù)合材料層合板的最大弱點(diǎn)，提高層間性能的方法大致可以分為兩類：(1)通過改善組分材料性能來提高層合板層間韌性的材料學(xué)方法；(2)在厚度方向上引入增強(qiáng)纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，如Z-pin技術(shù)、三維編織、縫合技術(shù)等。

復(fù)合材料層合板易分層，分層損傷會(huì)對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生嚴(yán)重影響，分層界面由于應(yīng)力集中更加容易產(chǎn)生裂紋。在提高層間韌性的技術(shù)中，較其它方式而言，Z-pin增強(qiáng)技術(shù)具有生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)制備簡單，工藝質(zhì)量便于控制等優(yōu)點(diǎn)。Z-pin的存在可以顯著提高層壓板的層間強(qiáng)度和分層阻力，同時(shí)可以對部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部強(qiáng)化。

文獻(xiàn)“專利申請?zhí)柺?01310694677.5的中國發(fā)明專利”公開了一種含Z-pin強(qiáng)化的纖維預(yù)制體制造方法，該方法首先制備含Z-pin的泡沫預(yù)制體，并將制備完畢的泡沫預(yù)制體放置于待強(qiáng)化的纖維預(yù)制體表面，然后使用超聲植入裝置將泡沫預(yù)制體中的Z-pin直接壓入所述纖維預(yù)制體中。理論上可以使用這種方法將Z-pin植入纖維預(yù)制體中進(jìn)行縱向強(qiáng)化。但實(shí)際中，由于預(yù)制體中的纖維交錯(cuò)致密分布，且碳纖維Z-pin構(gòu)件往往直徑較小(一般為0.1mm數(shù)量級)，當(dāng)植入到預(yù)制體中的一定深度時(shí)，碳纖維Z-pin構(gòu)件的前端由于磨損便不再銳利，開始出現(xiàn)分岔，這使得植入阻力迅速上升，同時(shí)開始對預(yù)制體中的纖維造成更大范圍的破壞，當(dāng)碳纖維Z-pin構(gòu)件的前端阻力增加到一定程度時(shí)，便不能繼續(xù)植入，若通過增加外力的方式將碳纖維Z-pin構(gòu)件強(qiáng)行壓入，則有可能造成層合板預(yù)制體綜合性能的大幅下降。

航空航天等領(lǐng)域的復(fù)合材料層合板構(gòu)件厚度已經(jīng)超過50mm，使用現(xiàn)有的Z-pin超聲植入方法已經(jīng)無法滿足這類大厚度構(gòu)件的綜合性能提升。在查閱大量相關(guān)技術(shù)資料的情況下，發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)還沒有一種適合于大厚度、難植入、易損傷的復(fù)合材料層合板預(yù)制體的層間強(qiáng)化技術(shù)。因此，若能在現(xiàn)有Z-pin超聲植入方法的基礎(chǔ)上，引入部分創(chuàng)新，使Z-pin超聲植入在滿足大厚度層合板預(yù)制體高效植入的前提下，同時(shí)大幅提升復(fù)合材料的綜合性能，這對復(fù)合材料在各個(gè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有含Z-pin強(qiáng)化的纖維預(yù)制體制造方法實(shí)用性差的不足，本發(fā)明提供一種復(fù)合材料Z向增強(qiáng)超聲植入方法。該方法首先制備碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體；再采用拉擠成型工藝制備碳纖維Z-pin構(gòu)件；使用鋼針在碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板預(yù)制體上按照2～8mm的行/列間距分布規(guī)律借助超聲振動(dòng)設(shè)備制備預(yù)制孔洞；將碳纖維Z-pin構(gòu)件借助超聲振動(dòng)設(shè)備植入到鋼針制備的預(yù)制孔洞中；對預(yù)制體外的碳纖維Z-pin構(gòu)件進(jìn)行加工修整。本發(fā)明在將碳纖維Z-pin構(gòu)件植入預(yù)制體前，預(yù)先使用鋼針在相應(yīng)位置處制備預(yù)制孔洞，使得碳纖維Z-pin構(gòu)件更容易植入到厚度較大的預(yù)制體中，同時(shí)降低了碳纖維Z-pin構(gòu)件在植入過程中對預(yù)制體造成的傷害，從而減小復(fù)合材料的面內(nèi)性能損失，實(shí)用性好。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案：一種復(fù)合材料Z向增強(qiáng)超聲植入方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：