[发明专利]一种大变形柔性胞状结构复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可实现大变形的柔性胞状结构复合材料及其制备方法，可用于变体机翼蒙皮或需要大变形的变体结构的支撑体。

背景技术

变体机翼及变体结构是下一代变体飞行器重要组成部分，是目前国内外的新的研究热点。

变体机翼是指机翼的横截面面积、前后缘弯度、翼展、后掠角等参数可根据环境变化或任务不同进行变化的机翼。传统铰链式的控制面或增升装置，如：襟翼、副翼等，这种靠分离部件来改变机翼几何外形的，不能被称为变体机翼。变体机翼综合了不同飞行条件下的翼型，通过飞行过程翼型的变化改变气动性能完成不同的任务，从而提高飞行性能和任务执行效率，且在减重、降噪、降低能耗具有一定的优势。在变体机翼发展新形势下，传统的结构材料如金属材料、玻璃纤维及碳纤维增强复合材料因刚性大，无法满足变体机翼大变形对蒙皮的发展需要。用于变体机翼的蒙皮必须具有一定的柔性以实现不同翼型之间光滑转换，同时能够承受飞行过程中的气动载荷。因此在进行蒙皮设计时应综合考虑各种因素，既要有足够的柔韧度产生所需的变形量，又要求蒙皮不能过于柔软以承受一定面外载荷，同时要降低对驱动机构能量的要求。

基于柔性蒙皮的特殊要求，国内外大量的科研人员从不同的角度，提出了应用不同形式的大变形柔性蒙皮。一是在传统的树脂基复合材料中嵌入形状记忆合金丝，通过对形状记忆合金丝的激励，实现蒙皮的弯曲变形；停止对形状记忆和金属的激励，则蒙皮在复合材料弹性回复力的作用下恢复到原理形状。但由于形状记忆合金丝是利用通电电阻热进行激励，在激励过程中容易在形状记忆合金丝与复合材料基体接触面产生间隙甚至脱离，导致激励失败，无法产生变形。因此如何提高形状记忆合金丝与复合材料基体间的界面接触强度及其疲劳性能是该类柔性蒙皮的主要问题，也是制约其发展的重要因素。二是近年来新出现的一种材料称为形状记忆聚合物。用该类材料制作的蒙皮，可在翼型需要改变时对形状记忆聚合物加热则变的柔软易于变形；在承受载荷时对其冷却，则形状记忆聚合物可保持翼型并具有足够的刚度，再次加热即可恢复原来形状。从目前的研究看，该类材料仅适用变体机翼的弯曲变形，且在激励方式存在困难。三是以柔性胞状结构为支撑体以弹性材料为表层的新型柔性蒙皮，该类蒙皮首先由美国马里兰大学相关研究人员提出。该类蒙皮性能主要由柔性胞状支撑体决定，而低模量、大应变的弹性表层仅是为了提高光滑的气动外形。

由于胞状结构和柔性表层构成的柔性蒙皮具有质量轻、面外抗弯刚度大、且可实现大变形，是各类柔性蒙皮中关注重点。胞状结构是该类蒙皮主要研究内容，目前提出的可获得大变形的胞状结构，主要有：六边形柔性胞状结构，由于该类结构泊松比不为零，即在面内拉伸时一个方向伸长，与之垂直方向则产生收缩，是限制其应用的不利因素。另外六边形胞状结构在变形时，局部存在大的应变，对外驱动力要求高；拉胀胞状结构，该类胞状结构可在面内两个方向同时拉伸从而获得大变形，该类胞状结构在变形过程中面内的两个方向需同时变形；零泊松比柔性胞状结构，由六边形胞和内凹六边形胞组合而成，如图1所示，该类胞状结构变形时，当面内一个方向伸缩，与之垂直的方向保持原来的大小不发生变化，因而被称为零泊松比胞状结构，是目前研究最多的一类胞状结构，该类胞状结构用在变体机翼上，可实现机翼的弯曲变形、翼展伸缩等。研究内容主要集中在基于胞状理论研究、胞状结构与力学性能之间的关系，探索胞状结构的几何尺寸对力学性能参数的影响。对于柔性胞状结构实现方式及制备工艺研究较少，现有的试验样件主要集中在实验室用于验证理论的正确性，如采用3D打印的光敏树脂、工程塑料；采用硅橡胶的一次成型等。采用这些材料制备的胞状结构，因为是整个结构式同一种中材料，基体刚度大，在变形过程中容易发生断裂，因而难以获得大变形。采用硅橡胶制备的胞状结构虽然可以获得大变形，但由于整个结构为柔性，不能够承受面外载荷，且在变形过程中面内一边伸长，与之垂直的边则产生收缩。这些胞状结构在试验验证中都不能充分满足理论变形对尺度要求，且无法在实际工程中得到应用，是制约该类材料研究发展的瓶颈。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种大变形柔性胞状结构复合材料，使其具有良好的大变形特性，又能够承受外载荷并保持胞状结构的形态。同时提出一种制备上述大变形柔性胞状结构复合材料的方法。