刁子豪

摘 要：隨著我國科學技術(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，復合材料點陣結(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、高比強性能等特點。本文就新型復合材料點陣結(jié)構(gòu)的研究進行簡要的分析探討，希望通過本文能夠給相關(guān)工作者帶來幫助。

關(guān)鍵詞：復合材料點陣結(jié)構(gòu)，制備工藝，力學性能，夾芯結(jié)構(gòu)

1、引言

傳統(tǒng)的飛行器在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計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。復合材料點陣結(jié)構(gòu)的發(fā)展已經(jīng)越來越成熟，為此，對于新型材料的復合材料點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計應用而生，通過協(xié)同優(yōu)化理念，將材料設(shè)計、功能設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計匯集為一體，這些復合材料比剛度和比強度都很高，具有良好的發(fā)展前景。

2、復合材料點陣結(jié)構(gòu)形式

復合材料點陣結(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)域得到了應用，特別是在航空航天、建筑等工程領(lǐng)域應用較為廣泛，被認為是一種最新的復合夾芯結(jié)構(gòu)材料。點陣結(jié)構(gòu)材料又稱為“桁架結(jié)構(gòu)”，是由結(jié)點和結(jié)點間連接桿件的單元組成的，并按一定的規(guī)則重復排列的空間網(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。按照點陣單胞元結(jié)構(gòu)形式的不同，可以分為四面體點陣結(jié)構(gòu)、金字塔點陣結(jié)構(gòu)和三維Kagome點陣結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

四面體點陣結(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點陣結(jié)構(gòu)是由2個正四面體頂對連接而形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

3、復合材料點陣結(jié)構(gòu)成型方法

復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的原料主要有增強纖維和樹脂，在制造工藝上具有樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)制備的共性特點和個性特點。此外，由于點陣結(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，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陣結(jié)構(gòu)；最后用打磨機將上下面板磨平。

（2）熱壓模具成型工藝

具體流程為：根據(jù)不同的點陣結(jié)構(gòu)將預浸料切割成條形；將切割好的預浸料鋪設(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，即制得所需要的復合材料點陣夾芯結(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)纖維預浸料，將制備好的桿件（纖維預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合材料金字塔點陣結(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)計尺寸制備預制面板，按編織工藝在預制面板上打孔；根據(jù)芯材高度將上下預制面板定位，將纖維束按照穿插編織法編織；將預制件張拉，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、復合材料點陣結(jié)構(gòu)力學性能研究

復合材料點陣結(jié)構(gòu)力學在近年來得到了很多學者的大量研究，其中，自點陣結(jié)構(gòu)研究取得了良好的研究成果，為今后點陣結(jié)構(gòu)力學研究奠定了基礎(chǔ)，也為完善點陣結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和制備工藝提供了幫助。對于點陣夾芯結(jié)構(gòu)復合材料，其主要由強度高、厚度薄的面板和輕質(zhì)的芯材所構(gòu)成，在遇到外界的負荷時，面板主要承受彎曲變形引起的正應力，而芯材主要承受厚度橫向的剪切力。表征點陣夾芯結(jié)構(gòu)材料力學性能的手段主要有：平壓性能、側(cè)壓性能、三點彎曲性能及剪切性能。平壓是指垂直于點陣夾芯結(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，極大的推進了科學技術(shù)的發(fā)展，為了推動復合材料點陣結(jié)構(gòu)的更廣泛應用，還需要加大對制備工藝的研究進展，隨著工程裝備對結(jié)構(gòu)輕量化要求越來越高，點陣夾芯結(jié)構(gòu)復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，在比剛度和比強度方面都比較高，具有較高的可設(shè)計性，也可以填充不同的功能材料，在以后應用的范圍將更加廣泛，我們需要投入更多的精力進一步研究關(guān)于新型復合材料點陣結(jié)構(gòu)，在性能上進一步增加，優(yōu)化制備的工藝，盡管點陣夾芯結(jié)構(gòu)復合材料的制備工藝還不夠成熟，存在諸多的問題，如面芯界面強度較低、面板容易分層等，不過通過簡化點陣夾芯結(jié)構(gòu)復合材料制備的工藝，將可以對產(chǎn)品進行批量化、低成本的生產(chǎn)。而且可以設(shè)計出更多的新型點陣結(jié)構(gòu)形式，如曲面點陣結(jié)構(gòu)、多層點陣結(jié)構(gòu)等，進而提高夾芯板結(jié)構(gòu)的剛度和強度。

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