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1、碳纤维复合材料金字塔点阵结构制备工艺及力学性能研究 论文导读:：本文针对碳纤维复合材料点阵结构，从结构设计、制备工艺、平压性能、剪切性能等方面对其进行试验表征及理论模型探讨。设计四种成型碳纤维复合材料金字塔点阵结构的思想，并采纳一种新的制备工艺即预浸料二次成型工艺制备试样，试验结果表明，该工艺能最大程度发挥纤维增加潜力。通过试验揭示在平压载荷下杆件屈曲、杆件断裂、杆件分层脱胶失效机理，在剪切载荷下杆件屈曲、杆件分层、杆件脱胶失效机理，基于结构力学基础原理，建立相应理论模型，经过修正之后的理论模型均能较好预报典型载荷下力学性能。本文探讨发觉碳纤维复合材料金字塔点阵结构具有密度低、比强度大、比刚度
2、高等优点，且芯子中具有大量空间，可以制备轻质多功能结构。论文关键词：碳纤维，金字塔，夹芯结构，复合材料 0 引言 轻质点阵结构高比强、高比刚以及优越的多功能特性是目前材料学界和力学界探讨热点，作为一种新型的轻质夹芯结构，具有优良的力学性能，同时由于其内部具有大量的空间可以用作布线、预埋、储能等多功能结构。早期人们关注铝合金1、钛合金2等金属材料制备而成的点阵结构，近几年随着复合材料制备技术的发展，以碳纤维复合材料制备新型点阵结构渐渐兴起，从结构角度来讲，点阵结构具有与传统蜂窝结构相当的力学性能，并且要优于金属泡沫3。2022年美国弗吉利亚高校Finnegan et al4领先采纳水切割组装工艺
3、制备出碳纤维复合材料金字塔点阵夹芯结构，该工艺没有充分发挥杆件中纤维材料的潜力，依旧从试验的角度发觉金字塔点阵夹芯结构具有高比强优势。本文首先介绍复合材料金字塔点阵结构几种设计思想，接着介绍了一种新的制备工艺，利用碳纤维预浸料细条通过模具来制备出金字塔点阵结构，在该方法中全部纤维增加方向均与载荷方向一样，充分发挥纤维增加的潜力。然后从平压、剪切等方面评价碳纤维复合材料金字塔点阵结构力学性能与失效机理。 1 结构与制备工艺 人们在对金属点阵结构探讨过程中，胜利制备出金字塔5、四面体6、Kagome7等各种拓扑构型的点阵结构，其中采纳拉挤工艺制备出铝合金金字塔点阵结构如图1所示。当采纳复合材料设计
4、制备点阵结构时，由于复合材料工艺困难性物理论文，往往给成型复合材料点阵结构带来极大困难，在点阵各种拓扑构型中，以金字塔点阵最为对称，所以起初学者均设计制备碳纤维复合材料金字塔点阵结构。Finnegan et al4利用水切割嵌锁组装工艺制备出金字塔，但是该工艺未能充分发挥杆件中纤维增加的潜力，本人在其基础上进一步提出几种设计方法，杆件中纤维均沿着载荷方向，充分发挥纤维单向增加的潜力论文网站大全。 图1 铝合金金字塔点阵结构5 Fig 1. Aluminum sandwich panels with pyramidal truss cores. 1.1 杆件拼接组装 金字塔点阵结构主要是由四个杆
5、件构成金字塔单胞，那么采纳单个杆件进行组装方式是最干脆方法，考虑到二次粘接，往往在单个杆件两端局部增大粘接面积，如图2所示。这种杆件可以采纳拉挤成型工艺或者RTM注塑工艺批量成型，其中纤维方向可以全部沿着杆件方向，然后在面板上进行粘接组装，最终形成复合材料金字塔点阵结构，如图3所示。 图2 杆件拼接组装工艺中单杆构型 Fig 2. Construction of singlestrut in Truss Assembly Method for manufacturing composite sandwich panels withpyramidal truss cores. 图3 杆件拼接组装
6、工艺形成复合材料金字塔点阵结构 Fig 3. Sandwich panels with pyramidal truss cores manufactured by TrussAssembly Method 1.2 杆件圆台组装 单个杆件在进行组装时，简单产生相对滑移，杆件之间存在间隙，会影响结构整体的力学性能，于是在此基础上提出杆件圆台组装工艺。杆件和圆台是两个基本的单元，如图4所示，其中杆件更为规整，利用拉挤成型特别便利，纤维增加方向与杆件受载方向一样，圆台是连接四个杆件并与面板粘接的单元，在圆台中预留有四个小孔，四个杆件可以插入预留的小孔中形成金字塔构型，然后进行组装，两端粘接面板形成复合
7、材料金字塔点阵结构，如图5所示。 图4 杆件圆台组装工艺中杆件与圆台构型 Fig 4. Constructionof struts and circinal node in Truss and Circinal Node Assembly Method formanufacturing composite sandwich panels with pyramidal truss cores. 图5 杆件圆台组装而成复合材料金字塔点阵结构 Fig 5. Sandwich panels withpyramidal truss cores manufactured by Truss and Circ
8、inal Node Assembly Method 1.3 短纤维铺设模具热压工艺 杆件与圆台组装能极大发挥杆件中纤维潜力，然而整体组装过程困难，带来许多组装误差，给二次粘接带来困难，于是考虑先将芯子部分整体成型，再与面板进行二次粘接，进而提出采纳模具工艺制备碳纤维金字塔点阵芯子，其模具如图6所示。详细包括四部分物理论文，即上网架、下网架、硅橡胶方块、底板。其中底板和硅橡胶方块主要是支撑上下网架，首先将下网架与底板固定，预浸料细条铺设在下网架上端，铺设完毕放入硅橡胶方块于方槽中，再上下网架合模，放置在热压机中，通过上下网架的压力一体成型出复合材料金字塔点阵芯子。 首先采纳短纤维预浸料铺设下网架
9、，即在下网架上端面每个金字塔单胞的四个杆件匀称铺设肯定长度的预浸料，在节点处有一半预浸料须要断开，避开交叉点重合导致预浸料整体高度不一样，铺设细微环节如图7所示。 图6 热压模具图 Fig 6. Schematic of the manufacturing mold. 图7 短纤维成型复合材料金字塔点阵结构铺设细微环节图 Fig 7. Method for putting short carbon fiber prepreg on bottom frames. 1.4 长纤维铺设模具热压工艺 短纤维铺设时虽然能避开节点重叠，但是过程有些繁琐，而且芯子中杆件纤维彼此不连续，没有相互约束，影响极低
10、密度下芯子整体力学性能。采纳长纤维预浸料交叉铺设，在极低密度下连续的纤维能抑制屈曲，铺设方法即为将预浸料长细条纵横铺设在模具槽口中，然后上下网架合模成型。图8即为成型之后的复合材料金字塔点阵芯子，粘接上下面板制备成为复合材料金字塔点阵结构。 图8 复合材料金字塔点阵芯子（相对密度为1.25%） Fig 8.Fabricated carbon fiber composite pyramidal truss structures with . 2 平压性能探讨 2.1 试验分析 本文采纳长纤维预浸料模具热压工艺制备碳纤维复合材料金字塔点阵夹芯结构，我们设计出三组典型相对密度的平压试验（即1.25%
11、，1.81%，4.70%），从而探讨其在平压载荷下宏观力学行为，分析其失效机理。利用INSTRON 5569试验机，参考ASTM C365/C 364M-05试验标准对试样进行加载，通过试验发觉三种典型失效模式，如图9所示。 图9 复合材料金字塔点阵结构平压载荷下失效模式图，即屈曲、断裂、分层与脱胶 Fig 9. Compressive failure modes for thecomposite pyramidal truss cores, including Euler buckling, fracture,delamination and debonding. 从图9可以看出，在低密度时
12、，易发生屈曲失稳，而相对密度为1.81%时，杆件发生纤维断裂，尤其在节点接触处，杆件发生纤维断裂。在高密度时，杆件产生分层和脱胶失效破坏，而且分层破坏从三角地带起先萌生，进而扩展至整个杆件物理论文，脱胶产生于芯子和面板粘接部位，随着载荷增加，胶结处担当的载荷越来越大，以致最终不能反抗载荷而发生脱胶行为。可见在相对较高密度下简单造成交叉点重叠，杆件产生加载盲区，在受载时会从加载盲区这个缺陷产生裂纹扩展。 2.2 理论模型 假设单个杆件两端为固支，压缩载荷下杆件与面板之间没有相对滑移，从结构力学角度推导出在平压载荷下复合材料金字塔点阵结构理论预报模型，如下所示： 刚度模型：(1) 屈曲模型：(2) 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页