[发明专利]一种基于纤维主导的复合材料纤维层合增韧结构及方法

说明书

本发明涉及一种基于纤维主导的复合材料纤维层合增韧结构及方法，该结构改变了现有层合结构层间载荷传递仅依靠层间剪切的方式，提出了基于跨铺层界面的纤维丝束交织单元的强耦合层间力学载荷传递模式，实现了复合材料层间韧性改善方法，属于结构复合材料制造技术领域。通过在不同角度的相邻或相近铺层相互之间引入跨层的增韧带层，形成两个相邻或多个相近铺层中逐级穿插交织结构形式。

技术领域

本发明涉及一种基于纤维主导的复合材料纤维层合增韧结构及方法，该结构改变了现有层合结构层间载荷传递仅依靠层间剪切的方式，提出了基于跨铺层界面的纤维丝束交织单元的强耦合层间力学载荷传递模式，实现了复合材料层间韧性改善方法，属于结构复合材料制造技术领域。

背景技术

复合材料层合结构受到层间性能弱、易于分层、抗冲击损伤容限低的限制，制约了其在低周期多频次重复使用和瞬时高过载冲击载荷的两种苛刻服役工况下的应用推广。

现有树脂基复合材料层合结构增韧技术主要通过两种途径：一是通过树脂基体改性增韧，是目前热固性树脂基结构复合材料层间增韧的主要改良手段，即在采用刚韧结构相间分子链的半互穿交联网络初级增韧、热塑性树脂与环氧基体形成双连续相结构增韧以及引入微米级的特定热塑性PA粒子(thermoplastic particles)，形成逐级递进的“三级阶梯式增韧”；一是采用缝合、Z-pin等手段进行层间增韧，受制于制造工艺复杂，工程应用受到明显限制。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于纤维主导的复合材料纤维层合增韧结构及方法，该结构和方法通过在两个或两个以上铺层角度的层合结构中，以连续纤维带、连续纤维织物或连续纤维预浸料等形式将增韧带层按设定的周期规律阶梯植入在相邻或相近的多个铺层中，得到一种基于纤维主导的复合材料纤维增韧层合结构铺层单元组，从而在层合结构中引入跨铺层界面的纤维强耦合力学载荷传递通道，改变了现有层合结构层间载荷传递仅依靠层间剪切的方式，该结构将大幅度改善复合材料层合结构的层间性能，对其抗冲击损伤能力和抗疲劳裂纹扩展能力有利，该方法为基于纤维跨层交织的复合材料层间结构增韧方法，颠覆了传统层合结构面内仅仅依靠树脂粘结的模式，通过在相邻或相近的铺层间引入增韧带层的方式，实现两个相邻或多个相近铺层中逐级穿插交织的层合结构模式，达到层合结构在层间凹凸不平互相嵌合的状态，从而达到层合结构层间增韧的目的。

本发明的技术解决方案是：

一种基于纤维主导的复合材料纤维层合增韧结构，该复合材料纤维层合增韧结构为等厚度结构，包括若干个铺层单元，若干个铺层单元分别标记为第一铺层单元、第二铺层单元、第三铺层单元、…、第N铺层单元，N为自然数，N≥2；

所述的第一铺层单元中包括若干个角度铺层，分别为角度a₁₁铺层、角度a₁₂铺层、角度a₁₃铺层、…、角度a_1n铺层；n为自然数，n≥2；

所述的第二铺层单元中包括若干个角度铺层，分别为角度a₂₁铺层、角度a₂₂铺层、角度a₂₃铺层、…、角度a_2n铺层；

…

所述的第N铺层单元中包括若干个角度铺层，分别为角度a_N1铺层、角度a_N2铺层、角度a_N3铺层、…、角度a_Nn铺层；

第一铺层单元中的各个角度铺层中的增韧带之间间隔设定的宽度；

第二铺层单元中的各个角度铺层中的增韧带之间间隔设定的宽度；

…

第N铺层单元中的各个角度铺层中的增韧带之间间隔设定的宽度；