新型復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

刁子豪

摘 要：隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，大型航空航天器結(jié)構(gòu)發(fā)展需要，在飛行器特有的環(huán)境下，對質(zhì)量和功能提出了更高的要求，復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu)材料，是新一代結(jié)構(gòu)材料一體化的理想結(jié)構(gòu)材料，具有輕質(zhì)、高比剛、高比強(qiáng)性能等特點(diǎn)。本文就新型復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)行簡要的分析探討，希望通過本文能夠給相關(guān)工作者帶來幫助。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，制備工藝，力學(xué)性能，夾芯結(jié)構(gòu)

1、引言

傳統(tǒng)的飛行器在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面通常將功能系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分開考慮，分開的系統(tǒng)可以分別起到力學(xué)性能的要求和滿足隔熱、電子屏蔽的要求，不過這樣在重量上就增加了很多，在性能上得不到充分的發(fā)揮，為了減輕飛行的質(zhì)量和高比剛度、高比強(qiáng)度等要求，通過研究和開發(fā)一種新型材料，滿足飛行器的性能要求。復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的發(fā)展已經(jīng)越來越成熟，為此，對于新型材料的復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用而生，通過協(xié)同優(yōu)化理念，將材料設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)匯集為一體，這些復(fù)合材料比剛度和比強(qiáng)度都很高，具有良好的發(fā)展前景。

2、復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)形式

復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)之間的孔相互貫通，具有周期性，在大孔隙中填充諸如隔音材料、隔熱材料和阻燃材料等多功能材料，因此，其具有的良好性能在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，特別是在航空航天、建筑等工程領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，被認(rèn)為是一種最新的復(fù)合夾芯結(jié)構(gòu)材料。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料又稱為“桁架結(jié)構(gòu)”，是由結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)間連接桿件的單元組成的，并按一定的規(guī)則重復(fù)排列的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)材料，面板的承受載荷就是由連接桿件的密度分布直接決定的。按照點(diǎn)陣單胞元結(jié)構(gòu)形式的不同，可以分為四面體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和三維Kagome點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

四面體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是由正四面體單胞元根據(jù)一定的規(guī)則重復(fù)連接在上下面板之間的一種空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是由四棱錐單胞元根據(jù)一定規(guī)則排列的空間結(jié)構(gòu)。而Kagome點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是由2個(gè)正四面體頂對連接而形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

3、復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)成型方法

復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的原料主要有增強(qiáng)纖維和樹脂，在制造工藝上具有樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制備的共性特點(diǎn)和個(gè)性特點(diǎn)。此外，由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)不同，有直柱型、金字塔型等，因此成型的工藝也具有不同的特點(diǎn)，具體如下：

（1）嵌鎖組裝成型工藝

其制備方法為：先在上下面板上按照金字塔排列結(jié)構(gòu)打孔，再利用水切割技術(shù)切割復(fù)合層合板制得桿件；將制得的桿件埋入面板的孔洞中，用樹脂固化組裝成金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；最后用打磨機(jī)將上下面板磨平。

（2）熱壓模具成型工藝

具體流程為：根據(jù)不同的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)將預(yù)浸料切割成條形；將切割好的預(yù)浸料鋪設(shè)在制備好的模具上，利用熱壓罐成型法制成所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)架；用膠接的方法將制備好的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與面板連接在一起，即制得所需要的復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)。圖2為熱壓模具一體成型工藝圖。

（3）熱膨脹模塑成型工藝

其制備工藝流程為：在剛性模具上鋪設(shè)纖維預(yù)浸料，將制備好的桿件（纖維預(yù)浸料繞硅橡膠軟模卷制而成）放置在按一定順序鋪設(shè)好預(yù)浸料的上下層之間；將組合整體放在兩塊充滿硅橡膠的鋼板之間，放入烘箱中加熱并保溫，使其固化成型；脫模后將空間網(wǎng)架金字塔結(jié)構(gòu)與制備好的面板用膠連接在一起形成復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

（4）三維編織成型工藝

該工藝具體流程為：根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸制備預(yù)制面板，按編織工藝在預(yù)制面板上打孔；根據(jù)芯材高度將上下預(yù)制面板定位，將纖維束按照穿插編織法編織；將預(yù)制件張拉，放入烘箱使得纖維束固化，降溫后取出，在上下面板上鋪設(shè)層合板。

4、復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)在近年來得到了很多學(xué)者的大量研究，其中，自點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)研究取得了良好的研究成果，為今后點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)，也為完善點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和制備工藝提供了幫助。對于點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，其主要由強(qiáng)度高、厚度薄的面板和輕質(zhì)的芯材所構(gòu)成，在遇到外界的負(fù)荷時(shí)，面板主要承受彎曲變形引起的正應(yīng)力，而芯材主要承受厚度橫向的剪切力。表征點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能的手段主要有：平壓性能、側(cè)壓性能、三點(diǎn)彎曲性能及剪切性能。平壓是指垂直于點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)面板的壓縮，主要反映芯材桿件的性能；側(cè)壓性能和三點(diǎn)彎曲性能主要反映面板的性能和芯材桿件的性能；剪切性能主要反映芯材桿件與面板連接問題。

5、展望

復(fù)合材料在近年來得到了快速的發(fā)展，各種制備技術(shù)層出不窮，極大的推進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為了推動復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的更廣泛應(yīng)用，還需要加大對制備工藝的研究進(jìn)展，隨著工程裝備對結(jié)構(gòu)輕量化要求越來越高，點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料作為一種新型結(jié)構(gòu)功能材料，和傳統(tǒng)材料相比，在比剛度和比強(qiáng)度方面都比較高，具有較高的可設(shè)計(jì)性，也可以填充不同的功能材料，在以后應(yīng)用的范圍將更加廣泛，我們需要投入更多的精力進(jìn)一步研究關(guān)于新型復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，在性能上進(jìn)一步增加，優(yōu)化制備的工藝，盡管點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備工藝還不夠成熟，存在諸多的問題，如面芯界面強(qiáng)度較低、面板容易分層等，不過通過簡化點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制備的工藝，將可以對產(chǎn)品進(jìn)行批量化、低成本的生產(chǎn)。而且可以設(shè)計(jì)出更多的新型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)形式，如曲面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、多層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等，進(jìn)而提高夾芯板結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳林志，熊健，馬力，王兵，張國旗，楊金水. 新型復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展[J]. 力學(xué)進(jìn)展，2012，01：41-67.

[2]吳倩倩. 新型復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制備及力學(xué)性能研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[3]徐龍星，趙啟林，陳浩森，方岱寧，艾士剛. 復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)新型結(jié)點(diǎn)連接方式研究[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料，2013，Z2：3-6.

[4]王亞梅，韓冰，史翔，貢智兵. 復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及成型工藝研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào)，2015，S2：538-541.