本發(fā)明屬于復合材料快速熔融界面設(shè)計制造，尤其涉及一種復合材料快速熔融界面微結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、以碳纖維作為增強纖維的先進復合材料(cfrp)由于其尺寸穩(wěn)定性好、比強度高、耐腐蝕和耐疲勞斷裂性能好等優(yōu)點已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、能源工業(yè)、汽車、體育等諸多領(lǐng)域。近年來，復合材料一體化成型技術(shù)的發(fā)展尤為迅速，但在航空航天等一些重大工程領(lǐng)域，復合材料連接技術(shù)的需求持續(xù)存在，新型連接技術(shù)在結(jié)構(gòu)整體強度的提升，成本節(jié)約和輕量化等要素持續(xù)優(yōu)化。所以，也充分體現(xiàn)了發(fā)展復合材料制造技術(shù)的必要性。目前復合材料連接制造技術(shù)主要分為三種方式：機械連接、膠接和熔融連接成型。其中機械連接是發(fā)展最早最成熟的連接方式，在航空航天中已經(jīng)取得了廣泛應(yīng)用，但是由于cfrp具有特殊的網(wǎng)絡(luò)編制結(jié)構(gòu)，在制螺栓孔時，會切割破壞內(nèi)部的碳纖維，降低了纖維連續(xù)性。由于力傳導的中斷，在加載時，會產(chǎn)生新的臨界破壞力值，從而降低了系統(tǒng)的承載能力。膠接工藝也發(fā)展迅速，和機械連接均適用于熱塑性和熱固性基體，膠接可以有效降低結(jié)構(gòu)重量，同時降低制造成本并提高損傷容限。但是工藝過程可能會引入外源材料，有污染界面的風險，也會為接頭增加額外重量。

2、熔融連接成型指的是將界面處的樹脂加熱至黏性狀態(tài)，使樹脂基體相互擴散，并冷卻形成連接接頭。其成型制造過程中不需要焊劑和外部加熱、對復合材料破壞小、成型時間短(一般小于1s)、結(jié)構(gòu)強度高和殘余應(yīng)變小以及易于實現(xiàn)自動化等諸多優(yōu)點，被認為是先進復合材料最有前途的連接成型技術(shù)之一。在復合材料熔融成型過程中，連接界面需放置一種樹脂基微結(jié)構(gòu)，其通常被用來增加能量傳遞，縮短成型時間，降低邊緣應(yīng)力集中。這種微結(jié)構(gòu)是樹脂突起或復合材料表面人工制造的凸起，由于微結(jié)構(gòu)的存在，能擇優(yōu)在連接界面上使界面處的樹脂表面產(chǎn)生摩擦熱，而且分子鏈間由于摩擦作用產(chǎn)生粘彈性熱。因此樹脂基微結(jié)構(gòu)對連接成型的界面結(jié)合以及力學性能有重要的影響。

3、目前，廣泛的研究表明不同微結(jié)構(gòu)形狀對焊接界面溫度影響顯著。三角形式半圓式結(jié)構(gòu)可以達到更高的界面溫度，但由于結(jié)構(gòu)不對稱，還會引起界面局部過熱或局部虛焊等現(xiàn)象。而平面式結(jié)構(gòu)可能由于熔融不充分而以原薄膜形式保留在焊縫的部分區(qū)域中，這顯著降低了焊接強度，并導致不均勻的焊縫。為了改善復合材料的結(jié)構(gòu)強度，需進行適應(yīng)性更好的結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時滿足簡單有效、便于實施、工藝可實現(xiàn)性等硬性要求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種復合材料快速熔融界面微結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種復合材料快速熔融界面微結(jié)構(gòu)，包括平面式薄膜微結(jié)構(gòu)，所述平面式薄膜微結(jié)構(gòu)上開設(shè)有若干個通孔，若干個所述通孔呈陣列設(shè)置，且相鄰兩所述通孔之間的距離相等，沿所述通孔的周向設(shè)置有若干個微支撐結(jié)構(gòu)，所述微支撐結(jié)構(gòu)與所述平面式薄膜微結(jié)構(gòu)垂直設(shè)置，若干個所述微支撐結(jié)構(gòu)分別對稱設(shè)置于所述平面式薄膜微結(jié)構(gòu)的上下兩側(cè)。

3、優(yōu)選的，所述通孔為圓形孔或正多邊形孔中的一種。

4、優(yōu)選的，若干個所述通孔呈矩形陣列設(shè)置，相鄰四個所述通孔沿所述微支撐結(jié)構(gòu)的周向等間距設(shè)置。

5、優(yōu)選的，當所述通孔為正多邊形孔時，若干個所述微支撐結(jié)構(gòu)分別設(shè)于所述正多邊形孔的頂點處。

6、優(yōu)選的，當所述通孔為圓形孔時，若干個所述微支撐結(jié)構(gòu)沿所述通孔的周向等間距設(shè)置。

7、優(yōu)選的，所述微支撐結(jié)構(gòu)為半球狀微結(jié)構(gòu)、正棱錐狀微結(jié)構(gòu)或正棱臺狀微結(jié)構(gòu)中的一種。

8、本發(fā)明提供了一種復合材料快速熔融界面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，包括以下步驟：

9、步驟一、根據(jù)復合材料成型界面的面積確定平面式薄膜微結(jié)構(gòu)的輪廓尺寸并進行裁切；

10、步驟二、確定通孔的孔形并在平面式薄膜微結(jié)構(gòu)進行開孔；

11、步驟三、根據(jù)通孔的孔形，將微支撐結(jié)構(gòu)固接在平面式薄膜微結(jié)構(gòu)的表面上。

12、優(yōu)選的，在平面式薄膜微結(jié)構(gòu)上進行開孔前，在平面式薄膜微結(jié)構(gòu)上確定開孔位置并進行標記；在平面式薄膜微結(jié)構(gòu)上固接微支撐結(jié)構(gòu)前，在平面式薄膜微結(jié)構(gòu)上確定微支撐結(jié)構(gòu)的固接位置并進行標記。

13、優(yōu)選的，微支撐結(jié)構(gòu)與平面式薄膜微結(jié)構(gòu)固接時，微支撐結(jié)構(gòu)的大面端與平面式薄膜微結(jié)構(gòu)進行固接。

14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術(shù)效果：

15、1、本發(fā)明提供的一種復合材料快速熔融界面微結(jié)構(gòu)，同時發(fā)揮各類簡單實體構(gòu)型微結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，在保持較高的強度同時兼具了融化快焊接時間短等優(yōu)點。

16、2、本發(fā)明自主設(shè)計的網(wǎng)狀平面式微結(jié)構(gòu)在成型過程中促進了微結(jié)構(gòu)和復合材料之間的良好接觸，完全潤濕復合材料表面，形成更均勻的界面，而沒有孔隙區(qū)域，從而提高復合材料結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量。

17、3、本發(fā)明提出的界面微結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)先進復合材料大規(guī)模成型工藝，在焊頭施加壓力作用下，柔性更大的微結(jié)構(gòu)將經(jīng)歷更大的變形，這將促進與復合材料更好的接觸，并因此改善界面的融化。此外，界面微結(jié)構(gòu)均勻變形可粘合整個界面，從而減少界面空隙。

技術(shù)特征：

1.一種復合材料快速熔融界面微結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括平面式薄膜微結(jié)構(gòu)(1)，所述平面式薄膜微結(jié)構(gòu)(1)上開設(shè)有若干個通孔(3)，若干個所述通孔(3)呈陣列設(shè)置，且相鄰兩所述通孔(3)之間的距離相等，沿所述通孔(3)的周向設(shè)置有若干個微支撐結(jié)構(gòu)(2)，所述微支撐結(jié)構(gòu)(2)與所述平面式薄膜微結(jié)構(gòu)(1)垂直設(shè)置，若干個所述微支撐結(jié)構(gòu)(2)分別對稱設(shè)置于所述平面式薄膜微結(jié)構(gòu)(1)的上下兩側(cè)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復合材料快速熔融界面微結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述通孔(3)為圓形孔或正多邊形孔中的一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復合材料快速熔融界面微結(jié)構(gòu)，其特征在于，若干個所述通孔(3)呈矩形陣列設(shè)置，相鄰四個所述通孔(3)沿所述微支撐結(jié)構(gòu)(2)的周向等間距設(shè)置。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復合材料快速熔融界面微結(jié)構(gòu)，其特征在于，當所述通孔(3)為正多邊形孔時，若干個所述微支撐結(jié)構(gòu)(2)分別設(shè)于所述正多邊形孔的頂點處。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復合材料快速熔融界面微結(jié)構(gòu)，其特征在于，當所述通孔(3)為圓形孔時，若干個所述微支撐結(jié)構(gòu)(2)沿所述通孔(3)的周向等間距設(shè)置。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復合材料快速熔融界面微結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微支撐結(jié)構(gòu)(2)為半球狀微結(jié)構(gòu)、正棱錐狀微結(jié)構(gòu)或正棱臺狀微結(jié)構(gòu)中的一種。

7.一種權(quán)利要求1-6任一項所述的復合材料快速熔融界面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的復合材料快速熔融界面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于，在平面式薄膜微結(jié)構(gòu)(1)上進行開孔前，在平面式薄膜微結(jié)構(gòu)(1)上確定開孔位置并進行標記；在平面式薄膜微結(jié)構(gòu)(1)上固接微支撐結(jié)構(gòu)(2)前，在平面式薄膜微結(jié)構(gòu)(1)上確定微支撐結(jié)構(gòu)(2)的固接位置并進行標記。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的復合材料快速熔融界面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于，微支撐結(jié)構(gòu)(2)與平面式薄膜微結(jié)構(gòu)(1)固接時，微支撐結(jié)構(gòu)(2)的大面端與平面式薄膜微結(jié)構(gòu)(1)進行固接。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于復合材料快速熔融界面設(shè)計制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種復合材料快速熔融界面微結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法，其中復合材料快速熔融界面微結(jié)構(gòu)，包括平面式薄膜微結(jié)構(gòu)，平面式薄膜微結(jié)構(gòu)上開設(shè)有若干個通孔，若干個通孔呈陣列設(shè)置，且相鄰兩通孔之間的距離相等，沿通孔的周向設(shè)置有若干個微支撐結(jié)構(gòu)，微支撐結(jié)構(gòu)與平面式薄膜微結(jié)構(gòu)垂直設(shè)置，若干個微支撐結(jié)構(gòu)分別對稱設(shè)置于平面式薄膜微結(jié)構(gòu)的上下兩側(cè)。本發(fā)明自主設(shè)計的網(wǎng)狀平面式微結(jié)構(gòu)在成型過程中促進了微結(jié)構(gòu)和復合材料之間的良好接觸，完全潤濕復合材料表面，形成更均勻的界面，而沒有孔隙區(qū)域，從而提高復合材料結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量。

技術(shù)研發(fā)人員：趙天,李營,陳曉萱,徐帥衡,蘇伯昂
受保護的技術(shù)使用者：北京理工大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19