[发明专利]一种复杂界面结构复合材料管及其制备方法

说明书

本发明提供了一种复杂界面结构复合材料管及其制备方法，制备方法包括：将金属管表面处理；基于仿生结构设计预浸料的铺层角度及顺序，并计算确定用于各铺层的碳纤维/环氧树脂预浸料的取向、尺寸及数量，数控切割获得预浸料带；在金属管表面手工预铺贴预浸料带；使用自动卷管机进行压辊卷制，每卷制完一个对称周期的预浸料铺层，需要增加一次压辊道次；将卷制好的芯管坯料加热固化得到一级复合材料芯管；在一级复合材料芯管表面铺设胶膜，对多支铺设胶膜的芯管进行定位后再装配，将脊状预浸料捻丝条填充于定位组合后的芯管组合件脊状空隙中，之后在芯管组合件外层再包覆预浸料带，利用压辊压实，加热固化后得到复杂界面结构的二级复合材料管。

技术领域

本发明涉及材料制备工艺技术领域，特别是指仿生结构设计一种碳纤维/环氧树脂基复合材料仿生结构管及其制备方法。

背景技术

随着科技的不断发展，工业对材料的性能提出了与日俱增的要求，单一的材料已经难以满足所要求的特殊或综合性能。一方面要求结构材料具有高刚度，高强度，重量轻，高温稳定性好等特点，另一方面要求功能材料集热、化学、电、磁等多种特性于一体。碳纤维/树脂基复合材料具有较高的比强度、比刚度、比模量等优异的性能，可以广泛应用汽车以及航空航天等领域。其中，具有薄壁结构的复合材料箱型梁广泛应用于航空航天结构件中，但传统薄壁结构刚度、强度有限，且容易发生局部屈曲而导致结构失稳从而引发事故。

在航空结构中，薄壁结构(管、梁、杆件)是一种典型的飞机承力及吸能结构，提高其力学性能同时减轻重量，是非常重要且有科研、战略意义的。近年来，常用的薄壁结构为铝制空间框架(ASF)。然而，ASF有着刚度和强度低的缺点，并且不足以维持施加到其上的应变集中。为了改善这种金属空间框架的弱点，铝复合混合管梁引起了人们的兴趣。对于这种复合材料增强金属结构来说，研究者最早提出在薄壁金属管上缠绕复合材料，即做成复合材料增强金属管，来进一步改善薄壁管件吸能能力和吸能特性。

然而，现有的复合材料管、梁及杆结构仍存在较多问题，如无法兼顾强度、刚度及韧性的协同配合。刚度越大，结构对载荷的承载能力，及瞬态载荷的阻挡作用越明显，但相应的其失效前的变形量就会减少，影响整体结构的韧性及碰撞相容性。同时，在面对复杂多形式载荷时，简单的复合材料—金属结构因存在强烈的各向异性，其往往只在一个方向上具有较强的力学性能，无法同时完美应对拉伸、弯曲、压缩及扭转载荷。因此，必须对这些要素进行协同优化。而仿生学为研究者们提供了一种新的、可靠的解决上述问题的思路。

在多种多样的材料中，生物材料拥有多功能性，最普遍的是机械性能，提高材料的刚度、强度和韧性。生物材料的宏微观结构对于人类的工程材料的结构设计优化具有非常重要的指导意义。通过对轻质/高强度/高刚度生物材料的结构的跨尺度分析，凝练生物材料结构特性耦元，达到力学性能及结构质量的优化配合。本专利以铝合金、增强纤维/高分子复合材料、树脂及铝合金多孔泡沫材料等为基本组成单元，采用多单元多层级嵌套结构的复合理念，设计并且制造出几种轻质、高强度、形状及力学性能可设计的仿生结构复合材料箱型梁。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种复杂截面结构管状复合材料及其制备方法，以自然生物体结构、工程优化结构作为参考，将纤维复合材料与金属管嵌套复合，得到航空级复合材料增强金属结构，同时具备低密度、高强度、高刚度等优异性能，特殊的复杂截面结构使得材料具有更高的比强度、比刚度及耐疲劳性能。

为了实现上述目的，现提出如下解决方案：

一方面，提供一种复杂界面结构复合材料管的制备方法，包括：

步骤S110，将金属管进行表面处理；

步骤S120，基于仿生结构设计预浸料的铺层角度及顺序，并计算确定用于各铺层的碳纤维/环氧树脂预浸料的取向、尺寸及数量，数控切割获得预浸料带；

步骤S130，在处理后的金属管表面手工预铺贴所述预浸料带，以定位铺层位置；