[发明专利]Z-pin大厚度植入方法

说明书

本发明涉及Z‑pin变密度预制体及Z‑pin大厚度植入方法，属于复合材料三维增强技术领域。实现Z‑pin大厚度植入的方法包括：根据待增强预浸料坯料的植入要求选择合适的Z‑pin体系并确定其长度，根据Z‑pin长度计算泡沫载体的总厚度并设计其密度分布，采用植入机制备相应预制体；开启加热装置将待增强的预浸料坯料加热，将预制体放置在坯料上方，中间用耐高温隔离膜隔开，待坯料加热均匀后开始植入Z‑pin，首先在超声枪作用下，将裸露在泡沫外的Z‑pin植入坯料中，然后将最上面一层泡沫揭除后，继续将外露的Z‑pin植入坯料中，重复“揭除泡沫‑继续植入”的动作，直至将所有Z‑pin全部植入，实现大厚度植入目标。

技术领域

本发明属于复合材料三维增强的技术领域，具体涉及一种实现Z-pin大厚度植入的变密度预制体结构及超声辅助逐层植入方法。

背景技术

复合材料具有轻质高强的独特优势，在航空航天领域有着广泛的应用，但是较低的层间强度成为其应用的瓶颈。为了提高传统复合材料层间性能和界面连接性能，国内外出现了三维编织增强复合材料、Z-pin三维增强技术以及2.5D层间增强技术等，其原理是在制件的厚度方向引入加强相，提高层间强度。其中，Z-pin三维增强技术借鉴不连续缝合方法，将复合材料微杆以一定的角度和密度植入到复合材料层合板坯材中，将层合板中铺层与铺层结合成整体，显著提高复合材料的层间强度和韧性，具有成本低、可设计性强、工艺操作简单、减重性好、对纤维损伤小等优点，尤其适用于预浸料工艺和局部增强或连接，满足复合材料层间增强和结构增强需求。

常用Z-pin植入方法为超声辅助植入法，主要包括Z-pin拉挤成型-预制体制备-超声植入三个工艺过程。拉挤成型工艺是浸透胶液的连续纤维纱等增强材料，在牵引力的作用下，通过模具拉挤成型、烘箱加热固化，生产出连续的Z-pin；预制体制备工艺通过数控植入机（以下简称植入机）将连续Z-pin按照预先设计的方案切断并植入到泡沫载体中，形成预制体；超声植入工艺是通过超声植入枪（以下简称超声枪）将预制体中的Z-pin植入到铺放好的预浸料坯料中，铲除泡沫后得到待固化的Z-pin增强层合板。该方法下Z-pin的植入深度因Z-pin原材料差异稍有差异，一般不超过12mm。

采用树脂基复合材料结构已成为航空航天领域重要发展态势，而随着复合材料的应用比例越来越大，出现越来越多的功能性复合材料，例如耐烧蚀防热复合材料、高导热复合材料等，制件从早期的小尺寸、次承力件向着大厚度、主承力结构的方向发展。而Z-pin是纤维在树脂中浸渍、经拉挤工艺共固化后制成的针状细杆结构，增强纤维轴向模量低，导致其刚度不足，大厚度（≥20mm）植入时阻力大，Z-pin易发生弯曲失稳，现有的植入技术无法匹配大厚度复合材料的应用需求，难以充分发挥复合材料独特优势，制约复合材料的进一步发展。

因此，急需一种可实现Z-pin大厚度植入的工艺方法，以此来促进复合材料在多个领域的应用发展。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是针对背景技术提出的问题，提供实现将Z-pin植入厚度≥20mm的预浸料坯料的Z-pin变密度预制体及Z-pin大厚度植入方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

Z-pin变密度预制体，包括大厚度预制体载体和Z-pin,其中：大厚度预制体载体由多层泡沫层可分离地叠加固定在一起组成，泡沫层密度从上至下逐渐增加，Z-pin植于大厚度预制体载体中，且Z-pin上下贯穿多层泡沫层，向预浸料坯料中植入Z-pin时，大厚度预制体载体下表面与预浸料坯料接触。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的Z-pin为碳纤维或玻璃纤维或石英纤维。

Z-pin大厚度植入方法，其中：包括以下步骤：