一种提高复合材料翼面结构刚度的方法技术

本发明专利技术属于纤维增强树脂基复合材料应用技术领域，涉及到一种用高模量纤维增加普通模量纤维增强树脂基复合材料翼面结构刚度的方法。它通过将高模量纤维按一定的间距，采用手工铺放或机械连续铺放，置入复合材料翼面结构原有设计铺层中，实现翼面结构复合材料结构刚度提高的方法。本发明专利技术不受复合材料翼面结构原有树脂体系和增强体纤维的限制，能在不改变复合材料结构原有工艺及工艺参数的基础上，以较低的成本实现复合材料翼面结构刚度的改善。它可采用热压罐工艺或树脂传递模塑成型工艺或树脂膜浸渗工艺或模压工艺成型的热固性复合材料薄壁翼面结构，也可采用于模压工艺或热变型工艺或隔膜成型工艺成型的热塑性复合材料翼面结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纤维增强树脂基复合材料应用
，涉及一种提高复合材料翼面 结构刚度的方法。
技术介绍
复合材料翼面结构作为航空航天飞行器整体结构的重要组成部分之一，其作用主 要是提供或产生升力(如固定翼飞机的机翼翼面、直升机的旋翼翼面等)、飞行姿态调整力 (如固定翼飞机的垂直尾翼翼面、水平尾翼翼面)或平衡力(如固定翼飞机的水平尾翼翼 面、导弹的弹翼翼面等)。因此，翼面结构一般设计为满足气动外形要求的面或片结构。为 了确保航空航天飞行器的安全性及执行任务的精确性，在设计翼面结构时，需要同时满足 强度和刚度指标。复合材料为飞行器设计者提供了更广阔的设计空间。复合材料具有比强度高、比 模量高、可设计性强、疲劳性能优异等一系列优点，因此，复合材料已日益受到航空航天领 域的青睐，成为新一代飞行器主要材料之一。在相同的重量下，树脂基复合材料翼面结构具 有比金属材料翼面结构更好的气动承载能力，能有效增加飞行高度和飞行时间，是翼面结 构发展的一个主要方向。但随着航空航天飞行器机动性、航程等性能的进一步提升，在设计翼面结构时需 要更高的结构刚度，但现有树脂基复合材料材料及其刚度已不能满足设计的需求。其原 因主要是在复合材料结构经济性指标的要求下，翼面结构树脂基复合材料一般普遍采用普 通模量OOOGI^ ^OGPa)纤维作为增强体。而当整个结构采用高模量纤维(280GI^ 350GPa)作为增强体时，复合材料结构将面临成本过高而“用不起”的尴尬境地。为了缓解 这一矛盾，设计者往往会采用增加结构厚度等方法来补偿刚度不足带来的设计安全性，但 这种做法会直接导致航空航天飞行器的重量增加，进而会降低其机动性，甚至会增加其全 寿命成本(特别是对于民用商用飞行器而言)。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种既能克服现有标准模量复合材料翼面结构结构刚度不 足的缺点，又能克服采用中等及以上模量碳纤维制备复合材料翼面结构成本过高的缺点， 并使得复合材料在制备翼面结构时能同时兼顾高刚度和低成本要求的一种提高复合材料 翼面结构刚度的方法。本专利技术的技术方案是(1)按照纤维模量选择纤维以复合材料翼面结构的增强纤维模量< ^OGI^a为基 础，选择比复合材料翼面结构增强纤维模量至少高一档的纤维，其中包括模量为280GPa 650GPa的碳纤维或模量为350GPa 400GPa硼纤维或模量为350GPa 450GPa碳化硅纤 维；(2)设置所选择纤维的间距采用三种不同纤维时，纤维间的间距为，硼纤维间距4为10根/厘米 100根/厘米，碳化硅纤维间距为10根/厘米 100根/厘米，碳纤维的 间距为1束/厘米 10束/厘米；(3)所选择纤维的铺放将步骤(1)中选择的纤维按步骤O)中的间距用手工或 机械连续放置的方法直接铺放到翼面结构的纤维铺层表面，并在其表面喷涂或刷涂与翼面 结构用树脂基体相匹配的树脂溶液，喷涂量为2g/m2 10g/m2，待树脂溶液中溶剂完全挥发 后固定住所选择纤维的位置；制备出粘附有所选择纤维的翼面结构的纤维铺层记为高模量 铺层，用高模量铺层部分替代原翼面结构铺层数量为η >3的纤维铺层，其替代量为原纤维 铺层数量的1/η 2/3 ；(4)复合材料翼面结构成型，将步骤(3)中制备的高模量铺层和翼面结构剩余原 纤维铺层按翼面结构的初始铺层设计铺叠；当原纤维铺层为预浸料或预浸布时，用热压罐 成型或模压成型或热变型成型或隔膜成型，而当原纤维铺层为纤维织物时，采用树脂传递 模塑成型或树脂膜浸渗成型或真空袋成型；上述成型工艺的升温速率为< 2V /min。所述的翼面结构用树脂基体为热固性树脂或热塑性树脂或热固性树脂与热塑性 树脂的混合，热固性树脂环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、苯并噁嗪树 脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂或氰酸酯树脂，热塑性树脂热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、 聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮、聚醚砜、聚乙烯或高分子量聚乙烯，前述热固性树脂与热塑性 树脂比例为1 20 1 2的混合物。上面所述的翼面结构的纤维铺层为1)纤维织物，包括单向或平纹或缎纹或斜纹 织物，幻单向预浸料或上述1)中所述织物的预浸布。上面(3)中用到的树脂溶液的质量百分含量为 20%。所制备的高模量铺层中原纤维铺层为预浸料或预浸布时，不喷涂或刷涂树脂溶 液。所述的高模量铺层替代原纤维铺层后的铺层方式为如下之一 1)当翼面结构只 有单面作为工作面时，高模量铺层连续铺放在复合材料翼面结构的表层部位，高模量铺层 中的高模量纤维经向沿着翼面长度方向；2)当翼面结构双面作为工作面时，高模量铺层连 续铺放在复合材料翼面结构的中间部位，高模量铺层中的高模量纤维经向沿着翼面长度 方向。当原纤维铺层为预浸料或预浸布时，所述的热压罐成型方法的成型温度为80°C 300°C，压力为0. 20MPa 0. 60MPa，所述的模压工艺成型温度为80°C 300°C，成型压力 为0. 20MPa 1. OMPa，所述的热变型工艺成型型为80°C 300°C，成型压力为0. 20MPa 0. 40MPa，所述的隔膜成型工艺成型温度为80°C 300°C，成型压力为0. 20MPa 0. 70MPa, 而当原纤维铺层为纤维织物时，所述的树脂传递模塑成型工艺的注射温度为30°C 300°C，注射压力为0. 05MPa 0. 70MPa,所述的树脂膜浸渗工艺的成型温度为80°C 300°C，所述的真空袋成型工艺的成型80°C 300°C。本专利技术的优点是本专利技术有如下优点第一，使用本方法既可以提高复合材料翼面结构刚度，又不使得翼面结构的成本 大幅提高，工程化成本低。第二，本方法不改变原有翼面结构复合材料成型工艺的原有参数，无需进行工艺 参数的调整，工艺通用性好。第三，本方法不仅适合于热固性复合材料翼面结构，而且适用于热塑性复合材料翼面结构，不受翼面结构的材料选择限制，材料适应性强。 具体实施例方式下面对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术提出一种提高复合材料翼面结构刚度的 方法，其特征在于，该方法的操作步骤如下(1)按照纤维模量选择纤维以复合材料翼面结构的增强纤维模量< ^OGI^a为基 础，选择比复合材料翼面结构增强纤维模量至少高一档的纤维，其中包括模量为280GPa 650GPa的碳纤维或模量为350GPa 400GPa硼纤维或模量为350GPa 450GPa碳化硅纤 维；(2)设置所选择纤维的间距采用三种不同纤维时，纤维间的间距为，硼纤维间距 为10根/厘米 100根/厘米，碳化硅纤维间距为10根/厘米 100根/厘米，碳纤维的 间距为1束/厘米 10束/厘米；(3)所选择纤维的铺放将步骤(1)中选择的纤维按步骤O)中的间距用手工或 机械连续放置的方法直接铺放到翼面结构的纤维铺层表面，并在其表面喷涂或刷涂与翼面 结构用树脂基体相匹配的树脂溶液，喷涂量为2g/m2 10g/m2，待树脂溶液中溶剂完全挥发 后固定住所选择纤维的位置；制备出粘附有所选择纤维的翼面结构的纤维铺层记为高模量 铺层，用高模量铺层部分替代原翼面结构铺层数量为η >3的纤维铺层，其替代量为原纤维 铺层数量的1/η 2/3 ；(4)复合材料翼面结构成型，将步骤(3)中制备的高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高复合材料翼面结构刚度的方法，其特征在于，该方法的操作步骤如下：　　（１）按照纤维模量选择纤维：以复合材料翼面结构的增强纤维模量＜２８０ＧＰａ为基础，选择比复合材料翼面结构增强纤维模量至少高一档的纤维，其中包括模量为２８０ＧＰａ～６５０ＧＰａ的碳纤维或模量为３５０ＧＰａ～４００ＧＰａ硼纤维或模量为３５０ＧＰａ～４５０ＧＰａ碳化硅纤维；　　（２）设置所选择纤维的间距：采用三种不同纤维时，纤维间的间距为，硼纤维间距为１０根／厘米～１００根／厘米，碳化硅纤维间距为１０根／厘米～１００根／厘米，碳纤维的间距为１束／厘米～１０束／厘米；　　（３）所选择纤维的铺放：将步骤（１）中选择的纤维按步骤（２）中的间距用手工或机械连续放置的方法直接铺放到翼面结构的纤维铺层表面，并在其表面喷涂或刷涂与翼面结构用树脂基体相匹配的树脂溶液，喷涂量为２ｇ／ｍ↑［２］～１０ｇ／ｍ↑［２］，待树脂溶液中溶剂完全挥发后固定住所选择纤维的位置；制备出粘附有所选择纤维的翼面结构的纤维铺层记为高模量铺层，用高模量铺层部分替代原翼面结构铺层数量为ｎ＞３的纤维铺层，其替代量为原纤维铺层数量的１／ｎ～２／３；　　（４）复合材料翼面结构成型，将步骤（３）中制备的高模量铺层和翼面结构剩余原纤维铺层按翼面结构的初始铺层设计铺叠；当原纤维铺层为预浸料或预浸布时，用热压罐成型或模压成型或热变型成型或隔膜成型，而当原纤维铺层为纤维织物时，采用树脂传递模塑成型或树脂膜浸渗成型或真空袋成型；上述成型工艺的升温速率为＜２℃／ｍｉ　ｎ。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张明，益小苏，刘立鹏，仝建峰，安学锋，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：11