CN105584056B - 复合材料回转体组合式抗冲击结构及其制备装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了复合材料回转体组合式抗冲击结构及其制备装置和方法，包括由内之外依次包覆固定的金属薄壁筒体、内侧芳纶纤维缠裹层和外侧芳纶纤维缠裹层，内侧芳纶纤维缠裹层上间隔浸润树脂使内侧芳纶纤维缠裹层具有部分中空结构，外侧芳纶纤维缠裹层上均匀浸润树脂。本发明在现有复合材料回转体结构基础上，使树脂以一定规律浸润芳纶纤维层，从而形成部分中空结构，该结构在最大限度减轻结构重量基础上，增大了回转体的厚度，且保持了芳纶纤维层高韧性、能量吸收性能好的优点，增强了复合材料回转体抗冲击性能。同时，本发明可以显著提高复合材料回转体内侧金属薄壁与芳纶纤维层及外侧复合材料层层间连接强度，纤维定位性能好。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制备的技术领域，尤其涉及一种采用特殊间断浸胶工艺方法缠绕成型制备的复合材料回转体及其工艺过程，具体的说，是一种复合材料回转体组合式抗冲击结构及其制备装置和方法。
背景技术
回转体构件作为航空航天飞行器等结构上常见构件，在使用过程中，极易受到飞鸟、冰块、轮胎碎片和其自身结构断裂碎片等冲击损伤。复合材料因其比强度大、比刚度高、可设计性好、抗疲劳性能好、抗冲击性能好等优点，逐渐取代金属材料成为航空航天结构上回转体构件的主要制备材料。目前，回转体结构主要包括全金属型、金属和复合材料组合型、全复合材料型。其中金属与复合材料组合型结构因其重量轻、抗冲击性能好、制备工艺简单而成为回转体构件首选材料。
但现有金属与复合材料组合型回转体结构厚度较薄，抗冲击能力有限，若增加厚度，重量将会随之增加，且外部需要更厚复合材料对其进行保护和固定，更增加了重量。因此，亟需开发一种抗冲击性能好的回转体结构。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在不增加结构重量基础上，增大了复合材料回转体的厚度，增强了复合材料回转体的抗冲击性能的复合材料回转体组合式抗冲击结构及其制备装置和方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
复合材料回转体组合式抗冲击结构，其中：包括由内之外依次包覆固定的金属薄壁筒体、内侧芳纶纤维缠裹层和外侧芳纶纤维缠裹层，内侧芳纶纤维缠裹层上间隔浸润树脂使内侧芳纶纤维缠裹层具有部分中空结构，外侧芳纶纤维缠裹层上均匀浸润树脂。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
金属薄壁筒体的材质为铝合金或钛合金。
将内侧芳纶纤维缠裹层和外侧芳纶纤维缠裹层的材质由芳纶纤维材料替换为碳纤维材料。
树脂为高韧性、高温环氧树脂。
复合材料回转体组合式抗冲击结构的制备装置，包括芳纶纤维辊、间断浸胶辊、连续浸胶辊以及金属芯模，纤维纱一端绕在芳纶纤维辊上，另一端穿过牵引导向辊绕在金属芯模上，间断浸胶辊和连续浸胶辊均设置在芳纶纤维辊和金属芯模之间，间断浸胶辊能对纤维纱间断式涂胶，连续浸胶辊能对纤维纱连续涂胶。
连续浸胶辊处设置有胶槽，胶槽内盛放树脂胶液，连续浸胶辊下部浸入树脂胶液，上部与纤维纱接触。
间断浸胶辊为渗孔浸胶辊，渗孔浸胶辊由中心轴、辊体和储胶槽组成，中心轴带动辊体转动，储胶槽位于辊体内侧并存储树脂胶液，辊体由间隔设置的带孔渗胶层和实心层组成，带孔渗胶层能透入树脂胶液，在渗孔浸胶辊旋转过程中，带孔渗胶层能间隔地接触纤维纱，并将树脂胶液涂抹在纤维纱上。
间断浸胶辊为凸台浸胶辊，凸台浸胶辊由中心辊及数个间隙设置的浸胶凸台组成，凸台浸胶辊下部放置盛放树脂胶液的容器，在凸台浸胶辊旋转过程中，浸胶凸台顶部能伸入容器浸入胶液，然后旋转到最高点与纤维纱接触，使树脂浸润纤维纱。
复合材料回转体组合式抗冲击结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：采用金属冲压加工方法加工复合材料回转体内部金属层；
步骤二：将金属层绕在芯模中心轴上，作为缠绕制备纤维层的金属芯模；
步骤三：将所用树脂胶液加入胶槽中，并加热，调节温度以得到适合缠绕的树脂粘度；
步骤四：将芳纶纤维纱穿过导向牵引辊、间断浸胶辊，固定在金属芯模缠绕起始点位置；
步骤五：按照设计要求，设置缠绕芯模、间断浸胶辊转速，使得芳纶纤维纱间断浸胶，同时进行内侧芳纶纤维缠裹层缠绕；
步骤六：当芳纶纤维缠绕到最后数层，停止间断浸胶辊转动，并使间断浸胶辊的浸胶端不接触纤维纱；
步骤七：使连续浸胶辊运作，芳纶纤维纱与之接触时连续浸胶，制备均匀浸胶的外侧芳纶纤维缠裹层；
步骤八：将缠绕完成的复合材料回转体组合式结构在热压罐中固化，形成复合材料回转体组合式抗冲击结构。
通过改变间断浸胶辊的转速和缠绕芯模的转速以及缠绕方向，能控制内侧芳纶纤维缠裹层内的树脂布置方式。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)分布在纤维层内部的树脂与芳纶纤维层形成部分中空结构，该结构在最大限度减轻结构重量基础上，增大了复合材料回转体的厚度，且保持了芳纶纤维层高韧性、能量吸收性能好的优点，增强了复合材料回转体的抗冲击性能。
(2)可以显著提高复合材料回转体内侧金属薄壁与芳纶纤维层及外侧复合材料层层间连接强度，纤维定位性能好。
(3)通过改变间断浸胶辊的转速和缠绕芯模的转速以及缠绕方向，以得到树脂在芳纶纤维缠裹层内部不同的布置方式(单向、交叉及不同的α角度)，以适应不同受力环境，即结构具有可设计性。
附图说明
图1为复合材料回转体组合式抗冲击结构截面示意图；
图2为树脂在芳纶纤维缠裹层内部单向排布方式；
图3为树脂在芳纶纤维缠裹层内部交叉排布方式；
图4为凸台浸胶辊间断浸胶缠绕工艺方法制备复合材料回转体的工艺示意图；
图5为凸台浸胶辊结构示意图；
图6为渗孔浸胶辊间断浸胶缠绕工艺方法制备复合材料回转体的工艺示意图；
图7为渗孔浸胶辊结构示意图。
图中标号名称：1、金属薄壁筒体，2、内侧芳纶纤维缠裹层，3、外侧芳纶纤维缠裹层，4、树脂，5、金属芯模，6、芳纶纤维纱，7、牵引导向辊，8、连续浸胶辊，9、凸台浸胶辊，10、胶槽，11、树脂胶液，12、芳纶纤维辊，13、中心辊，14、浸胶凸台，15、渗孔浸胶辊，16、带孔渗胶层，17、实心层，18、中心轴，19、储胶槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作详细说明。
第一实施例：
复合材料回转体组合式抗冲击结构，其中：包括由内之外依次包覆固定的金属薄壁筒体1、内侧芳纶纤维缠裹层2和外侧芳纶纤维缠裹层3，内侧芳纶纤维缠裹层2上间隔浸润树脂使内侧芳纶纤维缠裹层2具有部分中空结构，外侧芳纶纤维缠裹层3上均匀浸润树脂。
金属薄壁筒体1的材质为铝合金。
树脂为高韧性、高温环氧树脂。
复合材料回转体组合式抗冲击结构的制备装置，包括芳纶纤维辊12、间断浸胶辊、连续浸胶辊8以及金属芯模5，纤维纱6一端绕在芳纶纤维辊12上，另一端穿过牵引导向辊绕在金属芯模5上，间断浸胶辊和连续浸胶辊8均设置在芳纶纤维辊12和金属芯模5之间，间断浸胶辊能对纤维纱6间断式涂胶，连续浸胶辊8能对纤维纱6连续涂胶。
连续浸胶辊8处设置有胶槽10，胶槽10内盛放树脂胶液11，连续浸胶辊8下部浸入树脂胶液11，上部与纤维纱6接触。
间断浸胶辊为渗孔浸胶辊15，渗孔浸胶辊15由中心轴18、辊体和储胶槽19组成，中心轴18带动辊体转动，储胶槽19位于辊体内侧并存储树脂胶液，辊体由间隔设置的带孔渗胶层16和实心层17组成，带孔渗胶层16能透入树脂胶液，在渗孔浸胶辊15旋转过程中，带孔渗胶层16能间隔地接触纤维纱6，并将树脂胶液涂抹在纤维纱6上。
复合材料回转体组合式抗冲击结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：采用金属冲压加工方法加工复合材料回转体内部金属层，材料为AL6060-T6铝合金；
步骤二：将金属层放置在芯模中心轴上，作为缠绕制备纤维层的金属芯模5；
步骤三：将所用高韧性高温环氧树脂胶液加入胶槽10中，并加热(60℃)，调节温度以得到适合缠绕的树脂粘度；
步骤四：将芳纶纤维纱6穿过导向牵引辊7、渗孔浸胶辊15，固定在金属芯模5缠绕起始点位置；
步骤五：按照设计要求，设置缠绕芯模5、渗孔浸胶辊15转速，使得芳纶纤维纱6间断浸胶，同时进行芳纶纤维层缠绕；
步骤六：当芳纶纤维缠绕65层时，停止渗孔浸胶辊15转动，并使不浸胶端接触纤维纱6；
步骤七：打开连续浸胶辊转轴，使芳纶纤维纱6与之接触时连续浸胶，制备均匀浸胶的外侧芳纶纤维缠裹层，共2层；
步骤八：将缠绕完成的复合材料回转体组合式抗冲击结构在热压罐中固化，固化压力为1.0MPa，180℃，2h。
通过改变间断浸胶辊的转速和缠绕芯模5的转速以及缠绕方向，能控制内侧芳纶纤维缠裹层2内的树脂布置方式。本实施例为α角度的单向布设(如图2所示)。
第二实施例：
将第一实施例中的金属薄壁筒体1的材质改为钛合金。
将内侧芳纶纤维缠裹层2和外侧芳纶纤维缠裹层3的材质由芳纶纤维材料替换为碳纤维材料。
将间断浸胶辊改为凸台浸胶辊9，凸台浸胶辊9由中心辊13及数个间隙设置的浸胶凸台14组成，凸台浸胶辊9下部放置盛放树脂胶液的容器，在凸台浸胶辊9旋转过程中，浸胶凸台14顶部能伸入容器浸入胶液，然后旋转到最高点与纤维纱6接触，使树脂浸润纤维纱6。
本实施例通过改变缠绕芯模5的缠绕方向，控制内侧芳纶纤维缠裹层2内的树脂呈交叉式排布(如图3所示)。
未述部分同第一实施例。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.复合材料回转体组合式抗冲击结构，其特征是：包括由内之外依次包覆固定的金属薄壁筒体(1)、内侧芳纶纤维缠裹层(2)和外侧芳纶纤维缠裹层(3)，所述的内侧芳纶纤维缠裹层(2)上间隔浸润树脂使内侧芳纶纤维缠裹层(2)具有部分中空结构，所述的外侧芳纶纤维缠裹层(3)上均匀浸润树脂。
2.根据权利要求1所述的复合材料回转体组合式抗冲击结构，其特征是：所述的金属薄壁筒体(1)的材质为铝合金或钛合金。
3.根据权利要求1所述的复合材料回转体组合式抗冲击结构，其特征是：将内侧芳纶纤维缠裹层(2)和外侧芳纶纤维缠裹层(3)的材质由芳纶纤维材料替换为碳纤维材料。
4.根据权利要求1所述的复合材料回转体组合式抗冲击结构，其特征是：所述的树脂为高韧性、高温环氧树脂。
5.复合材料回转体组合式抗冲击结构的制备装置，其特征是：包括芳纶纤维辊(12)、间断浸胶辊、连续浸胶辊(8)以及金属芯模(5)，纤维纱(6)一端绕在所述的芳纶纤维辊(12)上，另一端穿过牵引导向辊绕在金属芯模(5)上，所述的间断浸胶辊和连续浸胶辊(8)均设置在芳纶纤维辊(12)和金属芯模(5)之间，所述的间断浸胶辊能对纤维纱(6)间断式涂胶，所述的连续浸胶辊(8)能对纤维纱(6)连续涂胶。
6.根据权利要求5所述的复合材料回转体组合式抗冲击结构的制备装置，其特征是：所述的连续浸胶辊(8)处设置有胶槽(10)，所述的胶槽(10)内盛放树脂胶液(11)，所述的连续浸胶辊(8)下部浸入树脂胶液(11)，上部与纤维纱(6)接触。
7.根据权利要求6所述的复合材料回转体组合式抗冲击结构的制备装置，其特征是：所述的间断浸胶辊为渗孔浸胶辊(15)，所述的渗孔浸胶辊(15)由中心轴(18)、辊体和储胶槽(19)组成，所述的中心轴(18)带动辊体转动，储胶槽(19)位于辊体内侧并存储树脂胶液，所述的辊体由间隔设置的带孔渗胶层(16)和实心层(17)组成，带孔渗胶层(16)能透入树脂胶液，在渗孔浸胶辊(15)旋转过程中，带孔渗胶层(16)能间隔地接触纤维纱(6)，并将树脂胶液涂抹在纤维纱(6)上。
8.根据权利要求6所述的复合材料回转体组合式抗冲击结构的制备装置，其特征是：所述的间断浸胶辊为凸台浸胶辊(9)，所述的凸台浸胶辊(9)由中心辊(13)及数个间隙设置的浸胶凸台(14)组成，所述的凸台浸胶辊(9)下部放置盛放树脂胶液的容器，在凸台浸胶辊(9)旋转过程中，浸胶凸台(14)顶部能伸入容器浸入胶液，然后旋转到最高点与纤维纱(6)接触，使树脂浸润纤维纱(6)。
9.复合材料回转体组合式抗冲击结构的制备方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤一：采用金属冲压加工方法加工复合材料回转体内部金属层；
步骤二：将金属层绕在芯模中心轴上，作为缠绕制备纤维层的金属芯模(5)；
步骤三：将所用树脂胶液(11)加入胶槽(10)中，并加热，调节温度以得到适合缠绕的树脂粘度；
步骤四：将芳纶纤维纱(6)穿过导向牵引辊(7)、间断浸胶辊，固定在金属芯模(5)缠绕起始点位置；
步骤五：按照设计要求，设置缠绕芯模(5)、间断浸胶辊转速，使得芳纶纤维纱(6)间断浸胶，同时进行内侧芳纶纤维缠裹层(2)缠绕；
步骤六：当芳纶纤维缠绕到最后数层，停止间断浸胶辊转动，并使间断浸胶辊的浸胶端不接触纤维纱(6)；
步骤七：使连续浸胶辊(8)运作，芳纶纤维纱(6)与之接触时连续浸胶，制备均匀浸胶的外侧芳纶纤维缠裹层(3)；
步骤八：将缠绕完成的复合材料回转体组合式结构在热压罐中固化，形成复合材料回转体组合式抗冲击结构。
10.根据权利要求9所述的复合材料回转体组合式抗冲击结构的制备方法，其特征是：通过改变间断浸胶辊的转速和缠绕芯模(5)的转速以及缠绕方向，能控制内侧芳纶纤维缠裹层(2)内的树脂布置方式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170829 |