一种复合材料双稳态自伸展结构及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种复合材料双稳态自伸展结构及其制造方法，该双稳态自伸展结构存在伸展构型和卷拢构型两种稳定构型；所述伸展构型为主稳态，所述卷拢构型为次稳态，并且次稳态在外界激励下可自发转变为主稳态。制造方法包括如下步骤：制备复合材料片材、制备模压成型所用模具、铺层、合模、加热加压、固化、脱模。本发明专利技术通过复合材料细观结构设计，实现了复合材料结构在两种稳态构型下的能量可控，达到自发伸展的设计目标，具有自伸展、高承载、长寿命的优点。所述双稳态自伸展结构处于主稳态时的承载力在200kg以上，重复使用寿命不低于500次，轴向拉伸/压缩模量不低于30GPa，弯曲模量不低于20GPa，管材厚度不低于0.8mm。

A composite bistable self expanding structure and its manufacturing method

The invention relates to a composite bistable self extension structure and its manufacturing method. The bistable self extension structure has two stable configurations, stretching configuration and winding configuration. The extension configuration is mainly steady, the winding configuration is a sub steady state, and the secondary steady state can be converted to the stable state spontaneously under the external excitation. The manufacturing method comprises the following steps: preparing composite sheets, molding dies used for molding, laying, closing, heating, pressing, curing and demoulding. Through the microstructural design of the composite material, the invention realizes the energy controlled by the composite structure under two steady state configurations, and achieves the design target of spontaneous extension. It has the advantages of self stretching, high load bearing and long life. The bearing capacity of the bistable self stretching structure at the main steady state is above 200kg, the reusable life is not less than 500 times, the axial tensile / compression modulus is not less than 30GPa, the flexural modulus is not less than 20GPa, and the thickness of the pipe is not less than 0.8mm.

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料双稳态自伸展结构及其制造方法
本专利技术涉及机械结构
，尤其涉及一种复合材料双稳态自伸展结构及其制造方法。
技术介绍
利用木工钢尺伸展-卷拢的基本原理，英国剑桥大学工程系Pellegrino博士等人率先进行了双稳态复合材料结构的研究与应用，设计了一类基于反对称铺层的复合材料双稳态结构，这类结构广泛应用于航天飞行器自锁铰、可延伸探测器以及电子通讯领域可延展杆等构件。近年来，Rolatube公司将复合材料双稳态结构逐渐发展为具有一定承载能力的工程复合材料结构，并将之应用于消防梯、担架、机枪枪托、天线支架等工程结构。本专利技术提出了一种基于双稳态构型的智能复合材料结构，可以实现自伸展、易卷拢、高承载、长寿命的优异结构性能。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的是双稳态复合材料无法自动伸展的问题。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了如下的技术方案：一种复合材料双稳态自伸展结构，存在伸展构型和卷拢构型两种稳定构型；所述伸展构型为主稳态，所述卷拢构型为次稳态，并且次稳态在外界激励下可自发转变为主稳态。优选地，所述双稳态自伸展结构在主稳态时为横截面为c型或o型的开口管材；所述双稳态自伸展结构在次稳态时为横截面为平直截面的多层卷材，且主稳态在外界激励下无法自发转变为次稳态。优选地，所述双稳态自伸展结构通过铺设铺层并模压成型，并且铺层按照如下方式进行铺设：位于中间的中性层的铺层设计为：0°/0°/90°/90°/0°/0°，中性层上下两侧区域的铺层设计为斜交铺层，并且上下两侧区域的铺层为反对称铺层。优选地，将多层卷材打开1～2倍卷材宽度的长度，所述双稳态自伸展结构由次稳态自发转变为主稳态。优选地，将所述开口管材沿轴向卷拢，所述双稳态自伸展结构由主稳态变为次稳态。优选地，所述双稳态自伸展结构采用复合材料制备而成，所述复合材料包含纤维和树脂；所述纤维选自玻璃纤维、碳纤维、蓝宝石纤维、硼纤维、玄武岩纤维、芳纶、氨纶或腈纶中的任一种，优选为玻璃纤维；所述树脂选自环氧树脂、不饱和聚酯、乙烯基树脂、聚氨酯、聚氰酸脂、苯并噁嗪、双马来酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚芳咪酮或热塑性聚酰亚胺中的任一种，优选为环氧树脂。优选地，所述双稳态自伸展结构处于主稳态时的承载力在200kg以上，重复使用寿命不低于500次，轴向拉伸/压缩模量不低于30GPa，弯曲模量不低于20GPa，管材厚度不低于0.8mm。优选地，所述双稳态自伸展结构还包括补强层；所述补强层由纤维和树脂复合而成；优选地，处于主稳态的所述双稳态自伸展结构的上端区域和下端区域分别设置有第一补强层和第二补强层；进一步优选地，距离所述双稳态自伸展结构的上端边缘5～10％长度的区域内设置有第一补强层，所述第一补强层的厚度为0.1～0.2mm；距离所述双稳态自伸展结构的下端边缘5～10％长度的区域内设置有第二补强层，所述第二补强层的厚度为0.1～0.2mm。本专利技术还提供了一种上述双稳态自伸展结构的制造方法，所述制造方法包括如下步骤：(1)制备复合材料片材：将复合材料中的纤维相和树脂复合，并制成片材；(2)制备模压成型所用模具：所述模具包括上模和下模，所述模具的模腔形状为所述双稳态自伸展结构的主稳态构型；(3)铺层：按照铺层设计要求将所述复合材料片材依次铺设于模压成型所用模具的下模中；(4)合模；(5)加热加压；(6)固化；和(7)脱模。优选地，当所述双稳态自伸展结构还包括补强层时，所述制备方法还包括制备补强层片材的步骤：将补强层中的纤维和树脂复合，并制成片材；以及所述步骤(2)按照如下方式进行：按照铺层设计要求将所述复合材料片材和所述补强层片材依次铺设于模压成型所用模具的下模中。(三)有益效果本专利技术所述的复合材料自伸展结构存在两种稳态构型和一种过渡态构型，通过复合材料细观结构设计，本专利技术实现了复合材料结构在两种稳态构型下的能量可控，并合理设计过渡态构型的能量梯度方向，从而达到复合材料双稳态结构自发伸展的设计目标，具有自伸展、高承载、长寿命的优点，该结构可用作便携梯、便携担架、便携天线以及行军帐篷等工程结构的主承载部件。附图说明图1是本专利技术结构处于伸展构型时的结构示意图；图2是本专利技术结构处于卷拢构型时的结构示意图；图3是本专利技术结构处于过渡态构型时的结构示意图；图4是本专利技术结构不同构型的能量相图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。如图1、图2和图3所示，本专利技术提供了一种复合材料双稳态自伸展结构，存在伸展构型(即图1所示构型)和卷拢构型(即图2所示构型)两种稳定构型；所述伸展构型为主稳态，所述卷拢构型为次稳态，并且次稳态在外界激励下可自发转变为主稳态。优选地，所述双稳态自伸展结构在主稳态时为横截面为c型或o型的开口管材(当所述双稳态自伸展结构在主稳态时为横截面为o型的开口管材时，由于该自伸展结构为开口结构，因此，此处的o型的含义是指该结构的横截面呈o型，但不是闭合结构)；所述双稳态自伸展结构在次稳态时为横截面为平直截面的多层卷材，且主稳态在外界激励下无法自发转变为次稳态。进一步优选地，所述双稳态自伸展结构通过铺设铺层并模压成型，并且铺层按照如下方式进行铺设：位于中间的中性层的铺层设计为：0°/0°/90°/90°/0°/0°，中性层上下两侧区域的铺层设计为斜交铺层，并且上下两侧区域的铺层为反对称铺层。本专利技术通过复合材料细观结构设计，设计出特定的铺设设计，从而实现了复合材料结构在两种稳态构型下的能量可控，并合理设计过渡态构型的能量梯度方向，从而达到复合材料双稳态结构自发伸展的设计目标，不同构型之间的能量相图示意如图4所示：(1)主稳态，即伸展构型，如图1，是横截面为c型或o型的开口管材，系统能量为最小值。(2)次稳态，即卷拢构型，如图2，是截面为平直截面的多层卷材，系统能量为极小值。(3)过渡态构型，如图3，结构处于过渡态时，一端为卷拢构型，另一端为伸展构型；此种构型状态下能量梯度指向结构发生伸展的方向，结构形态会发生不稳定转变，即次稳态构型自主伸展为主稳态构型。由于主稳态构型的能量低，而次稳态构型的能量高，因此，本专利技术提供的双稳态自伸展结构在给予外界激励的作用下，从次稳态自发转变为主稳态。因此，将多层卷材打开1～2倍卷材宽度的长度时，所述双稳态自伸展结构可以由次稳态自发转变为主稳态。也正是由于主稳态构型的能量低，而次稳态构型的能量高，因此，本专利技术提供的双稳态自伸展结构在给予外界激励的作用下，无法从主稳态自发转变为次稳态。当然，这并不意味着本专利技术提供的这一结构无法从主稳态转变为次稳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料双稳态自伸展结构，其特征在于，存在伸展构型和卷拢构型两种稳定构型；所述伸展构型为主稳态，所述卷拢构型为次稳态，并且次稳态在外界激励下可自发转变为主稳态。

【技术特征摘要】
2016.12.07 CN 20161111790141.一种复合材料双稳态自伸展结构，其特征在于，存在伸展构型和卷拢构型两种稳定构型；所述伸展构型为主稳态，所述卷拢构型为次稳态，并且次稳态在外界激励下可自发转变为主稳态。2.根据权利要求1所述双稳态自伸展结构，其特征在于，所述双稳态自伸展结构在主稳态时为横截面为c型或o型的开口管材；所述双稳态自伸展结构在次稳态时为横截面为平直截面的多层卷材，且主稳态在外界激励下无法自发转变为次稳态。3.根据权利要求2所述双稳态自伸展结构，其特征在于，所述双稳态自伸展结构通过铺设铺层并模压成型，并且铺层按照如下方式进行铺设：位于中间的中性层的铺层设计为：0°/0°/90°/90°/0°/0°，中性层上下两侧区域的铺层设计为斜交铺层，并且上下两侧区域的铺层为反对称铺层。4.根据权利要求2所述双稳态自伸展结构，其特征在于，将多层卷材打开1～2倍卷材宽度的长度，所述双稳态自伸展结构由次稳态自发转变为主稳态。5.根据权利要求2所述双稳态自伸展结构，其特征在于，将所述开口管材沿轴向卷拢，所述双稳态自伸展结构由主稳态变为次稳态。6.根据权利要求1所述双稳态自伸展结构，其特征在于，所述双稳态自伸展结构采用复合材料制备而成，所述复合材料包含纤维和树脂；所述纤维选自玻璃纤维、碳纤维、蓝宝石纤维、硼纤维、玄武岩纤维、芳纶、氨纶或腈纶中的任一种，优选为玻璃纤维；所述树脂选自环氧树脂、不饱和聚酯、乙烯基树脂、聚氨酯、聚氰酸脂、苯并噁嗪、双马来酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚芳咪酮或热塑性聚酰亚胺中的任一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈磊，张涛，王国勇，王永志，范永富，刘思畅，夏雅男，李卓达，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11