[发明专利]一种纤维增强聚合物基复合材料T型接头及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料的接头，特别涉及一种纤维增强聚合物基复合 材料T型接头及其制作方法。

背景技术

在船舶和飞行器的设计和制造中，需要使用大量的复合材料部件，由于 复合材料不同于金属材料和单一的高分子聚合物，具有很强的各向异性，其 连接性问题受到了广泛的关注。复合材料部件的一种典型的连接形式为T型 接头，在航空航天和船舶制造业中被广泛使用T型接头的部分包括：舱壁与 蒙皮的连接、机翼梁与蒙皮的连接以及增强板与蒙皮的连接等。传统的复合 材料T型接头通过螺钉或铆钉将垂直腹板和下壁板通过机械连接制成，这种 连接方式会切断复合材料内部的增强纤维，造成应力分布的不均匀，同时因 开孔而产生的局部应力会使T型接头发生灾难性结构破坏的风险急剧增加。

目前，国内外对于复合材料T型接头的设计以及其连接性能的研究已经 取得了一些进展，许多现代化技术被应用来提高复合材料T型接头的性能， 包括横向缝合技术、钢化粘合剂粘接技术，热塑性树脂交错成型技术以及Z 向销钉增强技术等。采用这些技术制成的T型接头普遍会面临的问题是，在 垂直腹板与下壁板结合处会形成一个富含树脂的圆角区，由于该区域缺少承 载纤维，不仅会破坏垂直腹板与下壁板之间的应力传导作用，而且裂纹往往 在这一区域产生并充分扩散最终导致连接的失效，而使用纤维插入技术将纤 维桩插入垂直腹板与下壁板间的连接界面，虽然会在一定程度上起到加固连 接的作用，但同时又会引入因几何形状突变和材料机械性能的不匹配而产生 的应力集中，增加接头的断裂风险。

发明内容

本发明的目的是要解决上述现有T型接头缺少承载纤维，会破坏垂直腹 板与下壁板之间的应力传导作用，易产生的应力集中，连接方式会切断复合 材料内部的增强纤维，造成应力分布的不均匀，T型接头结构破坏容易被破坏 等问题，而提供一种纤维增强聚合物基复合材料T型接头及其制作方法。

本发明之纤维增强聚合物基复合材料T型接头是由垂直腹板、仿生过渡 圆角区和下壁板组成，仿生过渡圆角区两端分别固定连接垂直腹板和下壁板； 仿生过渡圆角区包括抗拉单元体和数个抗弯单元列，数个抗弯单元列设置在 抗拉单元体两侧，抗弯单元列具有数个复合材料单元节；垂向复板与仿生过 渡圆角区之间的界面结合角a限定在100°-120°之间，仿生过渡圆角区与下 壁板之间的界面结合角b限定在100°-120°之间。

垂向复板、下壁板和仿生过渡圆角区的材料为聚合物基体，如环氧树脂 或热塑聚乙烯或聚苯乙烯或聚酰胺或聚碳酸酯或聚丙烯树脂；

垂向复板、下壁板和仿生过渡圆角区的材料为增强纤维，如玻璃纤维或硼 纤维或碳纤维或芳纶纤维或碳化硅纤维或氧化铝纤维；

抗拉单元体一侧至仿生过渡圆角区的最外侧的复合材料单元节数量满足 首项为2，公差为1的等差数列，抗弯单元列的总列数不小于6列的偶数列， 复合材料单元节的节间距和自身厚度之比限定在1:1-1:5之间，复合材料单元 节在仿生过渡圆角区域内为错位结构。

本发明的纤维增强聚合物基复合材料T型接头的制作方法如下：

第一步：将碳纤维布用液态环氧树脂浸渍，形成厚度为0.5mm的预浸料片， 然后进行铺覆，纤维与Z轴角度按照层数增加而递增45°，第一层纤维与Z轴 成0°，第二层为45°，依次铺覆，加热烘干冷却后制成厚度为60mm的垂直 腹板的预成型件，然后使用相同的方法分别制成一块厚度为60mm的下壁板， 1块厚度为15mm的抗拉单元体和6块厚度为9mm的抗弯单元列；

第二步：根据预先设定的方案，使用3D打印机制成复合材料T型接头整体 固化模具和仿生过渡圆角区的组合模具，并使用螺栓将这两个模具进行装配， 仿生过渡圆角区的组合模具用来将抗拉单元体和抗弯单元列组合成最终的仿 生过渡圆角区，其中，6块抗弯单元列以抗拉单元体为中心左右对称排列，且 相邻两列抗弯单元列的夹角固定为5°，最外侧抗拉单元列之间的夹角固定为 105°，抗弯单元列内的各个复合材料单元节间距统一固定为1.5mm，垂直腹 板与仿生过渡圆角区域之间以及仿生过渡圆角区与下壁板之间的界面结合角 全部固定为120°，然后，将垂直腹板、下壁板、抗拉单元体和抗弯单元列的 预成型件分别进行裁剪，放入模具进行定位后压实形成各自最终的尺寸和形 状；