一種纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料t型接頭及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的接頭，特別涉及一種纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料T型接頭及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在船舶和飛行器的設(shè)計(jì)和制造中，需要使用大量的復(fù)合材料部件，由于復(fù)合材料不同于金屬材料和單一的高分子聚合物，具有很強(qiáng)的各向異性，其連接性問題受到了廣泛的關(guān)注。復(fù)合材料部件的一種典型的連接形式為T型接頭，在航空航天和船舶制造業(yè)中被廣泛使用T型接頭的部分包括:艙壁與蒙皮的連接、機(jī)翼梁與蒙皮的連接以及增強(qiáng)板與蒙皮的連接等。傳統(tǒng)的復(fù)合材料T型接頭通過螺釘或鉚釘將垂直腹板和下壁板通過機(jī)械連接制成，這種連接方式會(huì)切斷復(fù)合材料內(nèi)部的增強(qiáng)纖維，造成應(yīng)力分布的不均勻，同時(shí)因開孔而產(chǎn)生的局部應(yīng)力會(huì)使T型接頭發(fā)生災(zāi)難性結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)急劇增加。
[0003]目前，國內(nèi)外對(duì)于復(fù)合材料T型接頭的設(shè)計(jì)以及其連接性能的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，許多現(xiàn)代化技術(shù)被應(yīng)用來提高復(fù)合材料T型接頭的性能，包括橫向縫合技術(shù)、鋼化粘合劑粘接技術(shù)，熱塑性樹脂交錯(cuò)成型技術(shù)以及Z向銷釘增強(qiáng)技術(shù)等。采用這些技術(shù)制成的T型接頭普遍會(huì)面臨的問題是，在垂直腹板與下壁板結(jié)合處會(huì)形成一個(gè)富含樹脂的圓角區(qū)，由于該區(qū)域缺少承載纖維，不僅會(huì)破壞垂直腹板與下壁板之間的應(yīng)力傳導(dǎo)作用，而且裂紋往往在這一區(qū)域產(chǎn)生并充分?jǐn)U散最終導(dǎo)致連接的失效，而使用纖維插入技術(shù)將纖維粧插入垂直腹板與下壁板間的連接界面，雖然會(huì)在一定程度上起到加固連接的作用，但同時(shí)又會(huì)引入因幾何形狀突變和材料機(jī)械性能的不匹配而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，增加接頭的斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是要解決上述現(xiàn)有T型接頭缺少承載纖維，會(huì)破壞垂直腹板與下壁板之間的應(yīng)力傳導(dǎo)作用，易產(chǎn)生的應(yīng)力集中，連接方式會(huì)切斷復(fù)合材料內(nèi)部的增強(qiáng)纖維，造成應(yīng)力分布的不均勻，T型接頭結(jié)構(gòu)破壞容易被破壞等問題，而提供一種纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料T型接頭及其制作方法。
[0005]本發(fā)明之纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料T型接頭是由垂直腹板、仿生過渡圓角區(qū)和下壁板組成，仿生過渡圓角區(qū)兩端分別固定連接垂直腹板和下壁板;仿生過渡圓角區(qū)包括抗拉單元體和數(shù)個(gè)抗彎單元列，數(shù)個(gè)抗彎單元列設(shè)置在抗拉單元體兩側(cè)，抗彎單元列具有數(shù)個(gè)復(fù)合材料單元節(jié);垂向復(fù)板與仿生過渡圓角區(qū)之間的界面結(jié)合角a限定在100°_120°之間，仿生過渡圓角區(qū)與下壁板之間的界面結(jié)合角b限定在100°-120°之間。
[0006]垂向復(fù)板、下壁板和仿生過渡圓角區(qū)的材料為聚合物基體，如環(huán)氧樹脂或熱塑聚乙烯或聚苯乙烯或聚酰胺或聚碳酸酯或聚丙烯樹脂；
[0007]垂向復(fù)板、下壁板和仿生過渡圓角區(qū)的材料為增強(qiáng)纖維，如玻璃纖維或硼纖維或碳纖維或芳綸纖維或碳化硅纖維或氧化鋁纖維；
[0008]抗拉單元體一側(cè)至仿生過渡圓角區(qū)的最外側(cè)的復(fù)合材料單元節(jié)數(shù)量滿足首項(xiàng)為2，公差為I的等差數(shù)列，抗彎單元列的總列數(shù)不小于6列的偶數(shù)列，復(fù)合材料單元節(jié)的節(jié)間距和自身厚度之比限定在I: 1-1:5之間，復(fù)合材料單元節(jié)在仿生過渡圓角區(qū)域內(nèi)為錯(cuò)位結(jié)構(gòu)。
[0009]本發(fā)明的纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料T型接頭的制作方法如下:
[0010]第一步:將碳纖維布用液態(tài)環(huán)氧樹脂浸漬，形成厚度為0.5mm的預(yù)浸料片，然后進(jìn)行鋪覆，纖維與Z軸角度按照層數(shù)增加而遞增45°，第一層纖維與Z軸成0°，第二層為45°，依次鋪覆，加熱烘干冷卻后制成厚度為60mm的垂直腹板的預(yù)成型件，然后使用相同的方法分別制成一塊厚度為60mm的下壁板，I塊厚度為15mm的抗拉單元體和6塊厚度為9mm的抗彎單元列；
[0011]第二步:根據(jù)預(yù)先設(shè)定的方案，使用3D打印機(jī)制成復(fù)合材料T型接頭整體固化模具和仿生過渡圓角區(qū)的組合模具，并使用螺栓將這兩個(gè)模具進(jìn)行裝配，仿生過渡圓角區(qū)的組合模具用來將抗拉單元體和抗彎單元列組合成最終的仿生過渡圓角區(qū)，其中，6塊抗彎單元列以抗拉單元體為中心左右對(duì)稱排列，且相鄰兩列抗彎單元列的夾角固定為5°，最外側(cè)抗拉單元列之間的夾角固定為105°，抗彎單元列內(nèi)的各個(gè)復(fù)合材料單元節(jié)間距統(tǒng)一固定為
1.5mm，垂直腹板與仿生過渡圓角區(qū)域之間以及仿生過渡圓角區(qū)與下壁板之間的界面結(jié)合角全部固定為120°，然后，將垂直腹板、下壁板、抗拉單元體和抗彎單元列的預(yù)成型件分別進(jìn)行裁剪，放入模具進(jìn)行定位后壓實(shí)形成各自最終的尺寸和形狀；
[0012]第三步:將組合仿生過渡圓角區(qū)用的仿生過渡圓角區(qū)的組合模具取出，然后把復(fù)合材料T型接頭整體固化模具加蓋并用螺栓密封，開始進(jìn)行樹脂傳遞模塑(RTM)處理;首先將環(huán)氧樹脂預(yù)熱至80以上，然后將其送入熱交換器繼續(xù)加熱至160以上，同時(shí)復(fù)合材料T型接頭整體固化模具也加熱至相同的溫度，下一步，將復(fù)合材料T型接頭整體固化模具抽真空，在600kPa以上的壓強(qiáng)下注入樹脂，待液態(tài)環(huán)氧樹脂充分填充所有預(yù)成型件間的空隙后，將模具繼續(xù)加熱至I80并固化兩個(gè)小時(shí)以上，然后脫模，得到最終的纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料T型接頭。
[0013]本發(fā)明的工作原理和過程:
[0014]本發(fā)明模仿哺乳動(dòng)物的肌腱與骨連接處的分級(jí)結(jié)構(gòu)和蝦夷扇貝光輝層內(nèi)文石棱柱的錯(cuò)位組合方式來加固垂直腹板與下壁板結(jié)合處的圓角區(qū)域，使其具有更高的韌性和損傷容限，采用具有多功能的仿生過渡圓角區(qū)來連接垂直腹板和下壁板，其中的抗拉單元體主要承受作用于垂直腹板且與垂直腹板縱向軸線平行的拉伸載荷，而抗彎單元列主要承受作用于垂直腹板且與下壁板水平軸線平行的彎曲載荷，這種設(shè)計(jì)使復(fù)合材料T型接頭同時(shí)兼顧了優(yōu)良的抗拉性能和抗彎性能，仿生過渡圓角區(qū)內(nèi)部充滿了方向經(jīng)過優(yōu)化了的增強(qiáng)纖維，避免了出現(xiàn)傳統(tǒng)復(fù)合材料T型接頭中常見的富含樹脂的圓角區(qū)，進(jìn)而緩解了圓角區(qū)與垂直腹板和下壁板之間因材料力學(xué)性能不匹配所產(chǎn)生的應(yīng)力集中應(yīng)?？估瓎卧w和抗彎單元列在仿生過渡圓角區(qū)內(nèi)所占的體積分?jǐn)?shù)可以根據(jù)T型接頭在實(shí)際工作中的具體受力情況進(jìn)行分配，垂直腹板、下壁板、仿生過渡圓角區(qū)域及其內(nèi)部的抗拉單元體和抗彎單元列的預(yù)成型件均使用由3D打印技術(shù)制作的金屬模具按照預(yù)先制定好的方案定位合模，并采用共固化法成型，而不能使用粘接膜。
[0015]本發(fā)明的有益效果:
[0016]本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用具有多功能的仿生過渡圓角區(qū)來連接垂直腹板和下壁板，提高了 T型接頭的抗拉性能和抗彎性能，具有良好的韌性和損傷容限，且能夠有效的使應(yīng)力在垂直腹板與下壁板之間相互傳導(dǎo)，緩解了應(yīng)力集中效應(yīng)，復(fù)合材料單元節(jié)在仿生過渡圓角區(qū)域內(nèi)形成的錯(cuò)位結(jié)構(gòu)，可以有效的阻礙裂紋的擴(kuò)展，提高了連接部位的損傷容限，降低了 T型接頭發(fā)生災(zāi)難性結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明之纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料T型接頭的立體示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明之纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料T型接頭的剖視圖。
[0019]圖3是本發(fā)明所使用的模具示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]請(qǐng)參閱圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明之纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料T型接頭是由垂直腹板1、仿生過渡圓角區(qū)2和下壁板組成，仿生過渡圓角區(qū)2兩端分別固定連接垂直腹板I和下壁板2;仿生過渡圓角區(qū)2包括抗拉單元體21和數(shù)個(gè)抗彎單元列22，數(shù)個(gè)抗彎單元列22設(shè)置在抗拉單元體21兩側(cè)，抗彎單元列22具有數(shù)個(gè)復(fù)合材料單元節(jié)221;垂向復(fù)板I與仿生過渡圓角區(qū)2之間的界面結(jié)合角a限定在100°-120°之間，仿生過渡圓角區(qū)2與下壁板3之間的界面結(jié)合角b限定在100° -120°之間；
[0021]垂向復(fù)板1、下壁板3和仿生過渡圓角區(qū)2的材料為聚合物基體，如環(huán)氧樹脂或熱塑聚乙烯或聚苯乙烯或聚酰胺或聚碳酸酯或聚丙烯樹脂；
[0022]垂向復(fù)板1、下壁板3和仿生過渡圓角區(qū)2的材料為增強(qiáng)纖維，如玻璃纖維或硼纖維或碳纖維或芳綸纖維或碳化硅纖維或氧化鋁纖維；
[0023]抗拉單元體21—側(cè)至仿生過渡圓角區(qū)2的最外側(cè)的復(fù)合材料單元節(jié)221數(shù)量滿足首項(xiàng)為2，公差為I的等差數(shù)列，抗彎單元列22的總列數(shù)不小于6列的偶數(shù)列，復(fù)合材料單元節(jié)221的節(jié)間距和自身厚度之比限定在1:1