四棱锥点阵泡沬夹芯复合材料制备及其基本力学性能分析

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1、四棱锥点阵泡沬夹芯复合材料制备及其基本力学性能分析第1章绪论1.1课题背景及研究的目的和意义传统层合复合材料材料是两种或两种以上材料相互作用组成的,具有高比强、高模量的优良特征,随着大型航空航天器结构的发展,飞行器独特的服役环境和性能要求对结构的质量和功能提出了新的更高的要求。主要包括:结构超轻型化,且能满足各种功能性的要求。我国航天工业中也应用了先进复合材料,全面解决了战略导弹的热防护问题。例如,战略导弹端头用防热复合材料已经历玻璃纤维复合材料、高硅氧纤维、陶瓷基复合材料到三向碳/碳复合材料并进人第

2、五代新防热复合材料时期。近年来混杂复合材料已应用于航天工程,例如固体火箭发动机壳体用石墨-芳纶(CF/KF)混杂复合材料;在人造卫星中已应用于卫星天线、摄像机支架、紫皮。随着我国综合国力的日益强大,传统复合材料已经满足不了在航空、航天飞行器各个领域的轻质化需求。夹芯结构是由上下两层高强度、高模量而厚度较薄的面板与低密度较厚的轻质芯材所组成。薄板通常由纤维束增强复合材料组成,例如玻璃,碳纤维增强板;芯子则由低密度材质以增加两个面板的截面惯性矩从而提高结构的强度以及抗弯刚度,以确保在达到力学性能要求最大限

3、度减小结构的重量。当前,在各个领域,尤其是航天、建筑等行业得到大量应用的泡沫芯子夹芯结构,蜂窝夹芯结构以及波纹板等夹芯结构大多都属于传统的夹芯结构。随着应用领域的不断扩大和深入,工业界对轻质结构的强度和刚度以及材料结构与功能有机统一地发展提出了更高的要求。传统的夹芯结构形式已经无法满足人们的这些诉求,如图1-1所示,点阵夹芯结构恰恰是在这种环境背景下推陈出新的一种新型结构。2001年左右,西方材料学界,以哈佛大学的Evans教授、剑桥大学的Ashby教授、MIT的Gibson教授等人为首提出了点阵夹芯

4、结构,这种结构主要通过上下面板和有序周期性排列的杆件组成[2,3]。由于点阵结构由高强度杆架组合而成,与传统的泡沫加芯结构有更低的质量从而提高了结构的比刚度、比强度满足了结构设计的轻量化。点阵夹心结构由于周期性排列的杆件大大提高了结构的孔隙率,满足了隔热、隔震和电磁屏蔽等特殊要求,而由于芯子有较大空间可以填特殊材料执行传感、制冷、减震、吸声、散热等特殊性能,如何发明和使用一种新型的多功能轻质材料,并建立一套完整的理论体系来描述材料的不同功能及参数指标,是力学和材料工的当务之急和主攻方向[4-5]。复合

5、材料点阵结构的设计正是体现了材料设计、结构设计和功能设计为一体的协同优化设计这一理念[6-9]。..........1.2点阵夹芯结构的制备工艺Finnegan等[10]利用水切割机器对复合材料层合板纤维方向切出波纹状细条并在芯子交界处开有凹槽,经过镶嵌组合并且芯子与面板采用胶接方法首次制备出全复合材料四棱锥点阵夹芯结构,并对平压性能进行了研究,制备流程图如图1-3所示。冲压折叠钎焊法:利用冲压折叠钎焊法制备金属点阵夹心结构先将薄的金属板用周期性排列的六边形冲头压出平面蜂窝结构,然后将平面结构在V形凹

6、槽挤压出四棱锥点阵芯子,最后将上下面板与金属芯子焊接在一起[11-12],如图1-4所示。这种工艺制备金属点阵夹心结构优点是流程简单,设计方便,易于操作和大规模生产,缺点就是冲压过程损耗原料太多而且制备点阵芯子种类较少.由于冲压折叠钎焊法制备的点阵夹心结构芯子与面板交界处性能较弱,通过拉挤放电法制备的点阵夹心结构面芯交界处得到很好的处理[13],制备流程如图1-5所示,面板与芯子是一体成型的且面板与芯子是同种材料,所以在压缩剪切实验并没有发生面板与芯子脱离现象,再将类似波纹夹心结构的试件利用放电发法切

7、割出四棱锥点阵夹心结构,其缺点是制备切割时间太长成本较高。............第2章复合材料点阵泡沫夹芯结构的制备及平压性能研究2.1引言增韧泡沫夹芯结构技术在夹层泡沫结构中通过穿插编织工艺植入高模量、高强度的碳纤维杆,拟补泡沫力学性能的不足,本章对制备工艺进行简单的论述。点阵泡沫夹芯结构制备主要分三步,每一步采用相应的的成型工艺完成。第一步是制备带孔面板与带孔泡沫,面板打孔采用打孔机,而泡沫则用相应的夹具使用加热的探针打出有规律排列的空隙;第二步将带孔泡沫与带孔面板夹持在一起,通过浸有环氧树脂的

8、碳纤维丝进行Z型编织穿插缝在一起,在再上下铺上预浸料;第三步是点阵泡沫夹层结构的固化,采用真空固化成型工艺完成,在真空罐中进行抽真空加热固化,得到点阵泡沫夹芯结构试件。.......2.2点阵泡沫夹芯结构的制备本文采用碳纤维和环氧树脂为原料制备点阵泡沫夹芯复合材料,碳纤维预浸料由宜兴中碳科技有限公司所提供,材料属性见表2-1。泡沫由阿乐斯提供的ArmaFORMPET,材料属性见表2-2。本文对碳纤维增强树脂基增韧泡沫夹芯复合材料层合板设计了一套手工制备工

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