[发明专利]Z-pin增强复合材料加筋壁板结构及其成型方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Z-pin技术用于增强复合材料加筋壁板结构及其成型方法，属于复合材料增强技术领域。

背景技术

复合材料加筋壁板结构由于其良好的后屈曲承载能力及减重效果，被广泛应用于航空结构当中。常见的加筋壁板结构包括：帽型、T型、工型、L型、J型等，其中帽型筋条与其它相比，具有更好的比刚度和结构稳定性，传递周向载荷效率高，是机身段等筒状结构部件的首选。

大量的实验研究发现，筋条与蒙皮间的界面连接强度远远低于复合材料的面内强度。加筋结构在承受后屈曲载荷时，失效主要发生在筋条与蒙皮的胶接界面。这是由于蒙皮屈曲后，载荷传递给筋条，使得翼缘承受面外弯曲载荷，极易引起缘条与蒙皮的脱粘。因此，结构在承载时，筋条与蒙皮之间的脱粘往往会导致结构提前破坏，这将对飞机安全构成极大的威胁。为提高加筋与蒙皮间的界面连接强度，将Z-pin三维增强技术应用于帽型加筋壁板结构。

Z-pin三维增强技术是在不连续缝合技术基础上发展而来的新三维增强技术，Z-pin是指一种金属类或复合材料类圆柱型短棒，金属类Z-pin包括不锈钢、钛合金、铝合金，复合材料Z-pin为具有一定强度、刚度的预制体，是通过碳纤维、石英纤维等增强纤维浸胶后，在模具成形固化制备形成。Z-pin技术是将针状细杆Z-pin植入到铺迭好的预浸料中形成三维增强，经共固化形成的整体结构。该项技术可明显改善复合材料层合板的层间韧性，并具有操作简单、可设计性强、易于整体成型、减重性好、抗剪切、抗剥离性能强、对纤维损伤小的优点。

发明内容

本发明的目的是针对目前复合材料加筋壁板筋条与蒙皮界面强度弱的问题，提供一种采用Z-pin三维增强技术显著提高筋条与蒙皮的界面连接强度、制造成本低、能避免由于使用紧固件带来的纤维破坏的Z-pin增强复合材料加筋壁板结构及其成型方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

Z-pin增强复合材料加筋壁板结构，包括复合材料筋条和蒙皮，复合材料筋条固定在蒙皮上，其中：复合材料筋条与蒙皮连接处，植入用于提高复合材料筋条与蒙皮的连接强度的Z-pin。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的Z-pin植入方向垂直于复合材料筋条与蒙皮的连接面。

上述的复合材料筋条为帽型筋条。

一种Z-pin增强复合材料加筋壁板结构的成型方法，包括以下步骤：

步骤一、通过拉挤工艺制备Z-pin，将Z-pin植入泡沫载体中，制成含Z-pin的泡沫预制体；

步骤二、分别在筋条模具和蒙皮模具上铺覆复合材料筋条和蒙皮；

步骤三、按照尺寸和位置将蒙皮放置于筋条的上方，将含Z-pin的泡沫预制体放置于复合材料筋条和蒙皮连接部位的上方，将含Z-pin的泡沫预制体中的Z-pin植入复合材料筋条与蒙皮中，使Z-pin贯穿复合材料筋条和蒙皮的连接面；

步骤四、将泡沫载体以及尚未植入复合材料筋条与蒙皮的Z-pin去除；

步骤五、将复合材料筋条、蒙皮以及Z-pin组成的加筋壁板结构封装，放于热压罐中，加热固化，形成Z-pin增强复合材料加筋壁板结构。

步骤三中，采用超声枪将Z-pin植入复合材料筋条与蒙皮中。

步骤三中，将Z-pin向下垂直植入复合材料筋条与蒙皮中。

与现有技术相比，本发明提供的一种Z-pin增强复合材料帽型加筋壁板结构筋条与蒙皮连接处界面连接强度的结构，其增强原理如下：当帽型加筋壁板结构受到沿着加筋和蒙皮界面（如图中沿纸面向里）轴向力时，Z-pin对蒙皮和加筋的桥联力阻碍裂纹的扩展，减缓裂纹扩展的速度，同时Z-pin的“钉扎”效应和自身变形抑制裂纹扩展。从而提高帽型加筋壁板的界面连接强度。因为直接将Z-pin植入复合材料筋条与蒙皮层合板中非常困难，而且在植入过程中会损伤层合板，通过将Z-pin植入泡沫，使泡沫起到导向的作用，方便将Z-pin植入复合材料筋条与蒙皮中，并降低层合板的损伤。

本发明具有采用Z-pin三维增强技术显著提高筋条与蒙皮的界面连接强度、制造成本低、能避免由于使用紧固件带来的纤维破坏的优点。

附图说明

图1为不含Z-pin增强的帽型加筋壁板横截面示意图；

图2为第一实施例中将含Z-pin的泡沫预制体放置于加筋壁板横截面示意图；

图3为第一实施例中将Z-pin植入帽型加筋壁板横截面示意图；

图4为第一实施例中去除泡沫和多余Z-pin后的Z-pin增强帽型加筋壁板横截面示意图。