新型復合材料點陣結構的研究進展

刁子豪

摘 要：隨著我國科學技術的快速發展，大型航空航天器結構發展需要，在飛行器特有的環境下，對質量和功能提出了更高的要求，復合材料點陣結構作為一種新型結構材料，是新一代結構材料一體化的理想結構材料，具有輕質、高比剛、高比強性能等特點。本文就新型復合材料點陣結構的研究進行簡要的分析探討，希望通過本文能夠給相關工作者帶來幫助。

關鍵詞：復合材料點陣結構，制備工藝，力學性能，夾芯結構

1、引言

傳統的飛行器在進行結構設計方面通常將功能系統和結構系統分開考慮，分開的系統可以分別起到力學性能的要求和滿足隔熱、電子屏蔽的要求，不過這樣在重量上就增加了很多，在性能上得不到充分的發揮，為了減輕飛行的質量和高比剛度、高比強度等要求，通過研究和開發一種新型材料，滿足飛行器的性能要求。復合材料點陣結構的發展已經越來越成熟，為此，對于新型材料的復合材料點陣結構設計應用而生，通過協同優化理念，將材料設計、功能設計和結構設計匯集為一體，這些復合材料比剛度和比強度都很高，具有良好的發展前景。

2、復合材料點陣結構形式

復合材料點陣結構之間的孔相互貫通，具有周期性，在大孔隙中填充諸如隔音材料、隔熱材料和阻燃材料等多功能材料，因此，其具有的良好性能在很多領域得到了應用，特別是在航空航天、建筑等工程領域應用較為廣泛，被認為是一種最新的復合夾芯結構材料。點陣結構材料又稱為“桁架結構”，是由結點和結點間連接桿件的單元組成的，并按一定的規則重復排列的空間網架結構材料，面板的承受載荷就是由連接桿件的密度分布直接決定的。按照點陣單胞元結構形式的不同，可以分為四面體點陣結構、金字塔點陣結構和三維Kagome點陣結構，如圖1所示：

四面體點陣結構是由正四面體單胞元根據一定的規則重復連接在上下面板之間的一種空間網架結構。金字塔點陣結構是由四棱錐單胞元根據一定規則排列的空間結構。而Kagome點陣結構是由2個正四面體頂對連接而形成的網架結構。

3、復合材料點陣結構成型方法

復合材料夾芯結構的原料主要有增強纖維和樹脂，在制造工藝上具有樹脂基復合材料結構制備的共性特點和個性特點。此外，由于點陣結構不同，有直柱型、金字塔型等，因此成型的工藝也具有不同的特點，具體如下：

（1）嵌鎖組裝成型工藝

其制備方法為：先在上下面板上按照金字塔排列結構打孔，再利用水切割技術切割復合層合板制得桿件；將制得的桿件埋入面板的孔洞中，用樹脂固化組裝成金字塔點陣結構；最后用打磨機將上下面板磨平。

（2）熱壓模具成型工藝

具體流程為：根據不同的點陣結構將預浸料切割成條形；將切割好的預浸料鋪設在制備好的模具上，利用熱壓罐成型法制成所設計的結構網架；用膠接的方法將制備好的空間網架結構與面板連接在一起，即制得所需要的復合材料點陣夾芯結構。圖2為熱壓模具一體成型工藝圖。

（3）熱膨脹模塑成型工藝

其制備工藝流程為：在剛性模具上鋪設纖維預浸料，將制備好的桿件（纖維預浸料繞硅橡膠軟模卷制而成）放置在按一定順序鋪設好預浸料的上下層之間；將組合整體放在兩塊充滿硅橡膠的鋼板之間，放入烘箱中加熱并保溫，使其固化成型；脫模后將空間網架金字塔結構與制備好的面板用膠連接在一起形成復合材料金字塔點陣結構。

（4）三維編織成型工藝

該工藝具體流程為：根據結構設計尺寸制備預制面板，按編織工藝在預制面板上打孔；根據芯材高度將上下預制面板定位，將纖維束按照穿插編織法編織；將預制件張拉，放入烘箱使得纖維束固化，降溫后取出，在上下面板上鋪設層合板。

4、復合材料點陣結構力學性能研究

復合材料點陣結構力學在近年來得到了很多學者的大量研究，其中，自點陣結構研究取得了良好的研究成果，為今后點陣結構力學研究奠定了基礎，也為完善點陣結構的結構形式和制備工藝提供了幫助。對于點陣夾芯結構復合材料，其主要由強度高、厚度薄的面板和輕質的芯材所構成，在遇到外界的負荷時，面板主要承受彎曲變形引起的正應力，而芯材主要承受厚度橫向的剪切力。表征點陣夾芯結構材料力學性能的手段主要有：平壓性能、側壓性能、三點彎曲性能及剪切性能。平壓是指垂直于點陣夾芯結構面板的壓縮，主要反映芯材桿件的性能；側壓性能和三點彎曲性能主要反映面板的性能和芯材桿件的性能；剪切性能主要反映芯材桿件與面板連接問題。

5、展望

復合材料在近年來得到了快速的發展，各種制備技術層出不窮，極大的推進了科學技術的發展，為了推動復合材料點陣結構的更廣泛應用，還需要加大對制備工藝的研究進展，隨著工程裝備對結構輕量化要求越來越高，點陣夾芯結構復合材料作為一種新型結構功能材料，和傳統材料相比，在比剛度和比強度方面都比較高，具有較高的可設計性，也可以填充不同的功能材料，在以后應用的范圍將更加廣泛，我們需要投入更多的精力進一步研究關于新型復合材料點陣結構，在性能上進一步增加，優化制備的工藝，盡管點陣夾芯結構復合材料的制備工藝還不夠成熟，存在諸多的問題，如面芯界面強度較低、面板容易分層等，不過通過簡化點陣夾芯結構復合材料制備的工藝，將可以對產品進行批量化、低成本的生產。而且可以設計出更多的新型點陣結構形式，如曲面點陣結構、多層點陣結構等，進而提高夾芯板結構的剛度和強度。

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