三维多向编织碳纤维承载结构及其制造方法技术

本发明专利技术涉及临近空间浮空器承力结构设备技术领域，公开了一种三维多向编织碳纤维承载结构及其制造方法，其中三维多向编织碳纤维承载结构包括三维多向编织管体以及设置于所述三维多向编织管体的两端的刺辊接头，所述三维多向编织管体由碳纤维复合材料编织固化而成，所述刺辊接头的外表面设有多个尖针，所述尖针嵌设于所述三维多向编织管体的内壁。该三维多向编织碳纤维承载结构具有优异的力学性能，结构减重的同时，大大提高了承载结构的刚度和轴向承载强度，其承载强度是传统连接强度的6倍以上，克服了传统连接技术中的分层损伤弱点，可满足临近空间浮空器重载连接结构应用需求。

【技术实现步骤摘要】
三维多向编织碳纤维承载结构及其制造方法
本专利技术涉及临近空间浮空器承力结构
，尤其涉及一种三维多向编织碳纤维承载结构及其制造方法。
技术介绍
临近空间浮空器是指工作于临近空间并利用临近空间独有资源和特点来执行一定任务的一类飞行器，其可以包括临近空间飞艇、充氦气的高空自由浮动气球、平流层高空长航时无人机、远距离遥控滑翔飞行器等多种形式。碳纤维复合材料具有优异的力学性能，特别是在比强度和比刚度等方面具有较大的优势，因此考虑碳纤维复合材料圆管作为临近空间浮空器主承力结构是必然趋势，一方面可实现轻量化，另一方面可实现承载能力重载化要求。复合材料结构件之间主要采用胶接连接、机械连接、铆接和混合连接等方式。对于胶接连接，胶黏剂和复合材料圆管的粘接界面在复杂外力作用下界面性能将会削弱，使粘接界面成为薄弱环节。对于机械连接，通常考虑通过穿孔的方式将两个结构件连接到一起，结构在受载条件下，往往在连接位置出现比较大的应力集中和畸变。以上几种连接方式均主要是考虑二维复合材料连接模式，而对于层间性能比较显著的二维复合材料作为主承载结构很难满足重载化要求。通常来说，2D复合材料具有面外性能较差、热/力循环下分层严重、在临近空间恶劣低温环境(-70℃以下)条件下细观界面脆弱等突出问题。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种三维多向编织碳纤维承载结构及其制造方法，用以解决现有的连接技术中存在的分层损伤、难以承受重载且难以应用于临近空间的问题。本专利技术实施例提供一种三维多向编织碳纤维承载结构，包括三维多向编织管体以及设置于所述三维多向编织管体的两端的刺辊接头，所述三维多向编织管体由碳纤维复合材料编织固化而成，所述刺辊接头的外表面设有多个尖针，所述尖针嵌设于所述三维多向编织管体的内壁。其中，所述刺辊接头在轴向上间隔设置有多排尖针组，相邻两排所述尖针组之间交错布置，每排所述尖针组包括多个沿所述刺辊接头的周向均匀布置的所述尖针。其中，所述尖针包括相接的圆柱根部和锥形尖部；所述圆柱根部嵌入所述刺辊接头，且嵌入的深度不小于5mm；所述锥形尖部嵌设于所述三维多向编织管体的内壁。其中，所述三维多向编织管体中的碳纤维体积含量为45％～60％之间。其中，所述三维多向编织管体的编织构型为三维五向编织模式或者三维四向编织模式。其中，所述三维多向编织管体的编织角为10°～35°。其中，所述刺辊接头为设有内螺纹孔的钛合金刺辊接头。其中，所述三维多向编织管体的内部插设有泡沫芯轴，所述泡沫芯轴位于两个所述刺辊接头之间。其中，所述泡沫芯轴的内部在轴向上开设有盲孔或者通孔。本专利技术实施例还提供一种制造如上述所述的三维多向编织碳纤维承载结构的制造方法，包括：在泡沫芯轴的两端套接刺辊接头；采用三维多向编织方法将碳纤维复合材料编织在所述泡沫芯轴和所述刺辊接头的外表面，得到三维多向编织管体；将编织好的所述三维多向编织管体进行树脂传递模塑一体固化成型；对固化后的所述三维多向编织管体内的泡沫芯轴进行中空处理。本专利技术实施例提供的三维多向编织碳纤维承载结构及其制造方法，其中三维多向编织碳纤维承载结构包括三维多向编织管体以及设置于三维多向编织管体的两端的刺辊接头，三维多向编织管体由碳纤维复合材料编织固化而成，通过采用三维多向编织方式制作，显著增强了轴向承载能力；刺辊接头的外表面设有多个嵌设于三维多向编织管体的内壁的尖针，将传统连接方法中的面内剪切失效转化为剪切和弯曲组合失效，提高了抗疲劳失效能力，最大限度降低了界面对失效行为的影响，并且有效避免了传统连接中容易出现的应力集中现象，使承载能力大大增强。该三维多向编织碳纤维承载结构具有优异的力学性能，结构减重的同时，大大提高了承载结构的刚度和轴向承载强度，其承载强度是传统连接强度的6倍以上，克服了传统连接技术中的分层损伤弱点，可满足临近空间浮空器重载连接结构应用需求。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例中的一种三维多向编织碳纤维承载结构的结构示意图；图2是本专利技术实施例中的一种刺辊接头的结构示意图；图3是图2中的刺辊接头的剖视图；图4是图2中的刺辊接头的俯视图；图5是本专利技术实施例中的另一种三维多向编织碳纤维承载结构的结构示意图；图6是本专利技术实施例中的又一种三维多向编织碳纤维承载结构的结构示意图；图7是本专利技术实施例中的一种三维多向编织碳纤维承载结构的制造过程中的结构示意图；图8是本专利技术实施例中制造三维多向编织碳纤维承载结构时使用的泡沫芯轴的结构示意图；附图标记说明：1、三维多向编织管体；2、刺辊接头；21、内螺纹孔；3、尖针；31、圆柱根部；32、锥形尖部；4、泡沫芯轴；41、通孔。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。在本专利技术实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利技术实施例中的具体含义。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在专利技术实施例中的具体含义。如图1所示，本专利技术实施例提供的一种三维多向编织碳纤维承载结构，包括三维多向编织管体1以及设置于三维多向编织管体1的两端的刺辊接头2，三维多向编织管体1由碳纤维复合材料编织固化而成，刺辊接头2的外表面设有多个尖针3，尖针3嵌设于三维多向编织管体1的内壁。具体地，三维多向编织管体1由碳纤维复合材料编织固化而成，碳纤维复合材料是由有机纤维经过一系列热处理转化而成，含碳量高于90％的无机高性能纤维，具有碳材料的固有本性特征，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，可以将碳纤维与树脂基体复合，制成结构材料。同时，采用三维多向(3DnD)的编织方式编织碳纤维复合材料，正好弥补了二维(2D)复合材料的面外性能较差、热/力循环下分层严重、在临近空间恶劣低温环境(-70℃以下)条件下细观界面脆弱等不足。与二维复合材料相比，三维编织复合材料具有完全整体、不分层的结构，它的比强度、比模量高，具有优良的力学性能和功能性能，可用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维多向编织碳纤维承载结构，其特征在于，包括三维多向编织管体以及设置于所述三维多向编织管体的两端的刺辊接头，所述三维多向编织管体由碳纤维复合材料编织固化而成，所述刺辊接头的外表面设有多个尖针，所述尖针嵌设于所述三维多向编织管体的内壁。/n

【技术特征摘要】
1.一种三维多向编织碳纤维承载结构，其特征在于，包括三维多向编织管体以及设置于所述三维多向编织管体的两端的刺辊接头，所述三维多向编织管体由碳纤维复合材料编织固化而成，所述刺辊接头的外表面设有多个尖针，所述尖针嵌设于所述三维多向编织管体的内壁。


2.根据权利要求1所述的三维多向编织碳纤维承载结构，其特征在于，所述刺辊接头在轴向上间隔设置有多排尖针组，相邻两排所述尖针组之间交错布置，每排所述尖针组包括多个沿所述刺辊接头的周向均匀布置的所述尖针。


3.根据权利要求1所述的三维多向编织碳纤维承载结构，其特征在于，所述尖针包括相接的圆柱根部和锥形尖部；所述圆柱根部嵌入所述刺辊接头，且嵌入的深度不小于5mm；所述锥形尖部嵌设于所述三维多向编织管体的内壁。


4.根据权利要求1所述的三维多向编织碳纤维承载结构，其特征在于，所述三维多向编织管体中的碳纤维体积含量为45％～60％之间。


5.根据权利要求4所述的三维多向编织碳纤维承载结构，其特征在于，所述三维多向编织管体的编织构型为三维五向编织模式或者三...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗海波，李兆杰，何小辉，刘振国，张泰华，李欣，
申请(专利权)人：中国科学院光电研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11