新型复合材料点阵结构的研究进展

刁子豪

摘 要：随着我国科学技术的快速发展，大型航空航天器结构发展需要，在飞行器特有的环境下，对质量和功能提出了更高的要求，复合材料点阵结构作为一种新型结构材料，是新一代结构材料一体化的理想结构材料，具有轻质、高比刚、高比强性能等特点。本文就新型复合材料点阵结构的研究进行简要的分析探讨，希望通过本文能够给相关工作者带来帮助。

关键词：复合材料点阵结构，制备工艺，力学性能，夹芯结构

1、引言

传统的飞行器在进行结构设计方面通常将功能系统和结构系统分开考虑，分开的系统可以分别起到力学性能的要求和满足隔热、电子屏蔽的要求，不过这样在重量上就增加了很多，在性能上得不到充分的发挥，为了减轻飞行的质量和高比刚度、高比强度等要求，通过研究和开发一种新型材料，满足飞行器的性能要求。复合材料点阵结构的发展已经越来越成熟，为此，对于新型材料的复合材料点阵结构设计应用而生，通过协同优化理念，将材料设计、功能设计和结构设计汇集为一体，这些复合材料比刚度和比强度都很高，具有良好的发展前景。

2、复合材料点阵结构形式

复合材料点阵结构之间的孔相互贯通，具有周期性，在大孔隙中填充诸如隔音材料、隔热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领域得到了应用，特别是在航空航天、建筑等工程领域应用较为广泛，被认为是一种最新的复合夹芯结构材料。点阵结构材料又称为“桁架结构”，是由结点和结点间连接杆件的单元组成的，并按一定的规则重复排列的空间网架结构材料，面板的承受载荷就是由连接杆件的密度分布直接决定的。按照点阵单胞元结构形式的不同，可以分为四面体点阵结构、金字塔点阵结构和三维Kagome点阵结构，如图1所示：

四面体点阵结构是由正四面体单胞元根据一定的规则重复连接在上下面板之间的一种空间网架结构。金字塔点阵结构是由四棱锥单胞元根据一定规则排列的空间结构。而Kagome点阵结构是由2个正四面体顶对连接而形成的网架结构。

3、复合材料点阵结构成型方法

复合材料夹芯结构的原料主要有增强纤维和树脂，在制造工艺上具有树脂基复合材料结构制备的共性特点和个性特点。此外，由于点阵结构不同，有直柱型、金字塔型等，因此成型的工艺也具有不同的特点，具体如下：

（1）嵌锁组装成型工艺

其制备方法为：先在上下面板上按照金字塔排列结构打孔，再利用水切割技术切割复合层合板制得杆件；将制得的杆件埋入面板的孔洞中，用树脂固化组装成金字塔点阵结构；最后用打磨机将上下面板磨平。

（2）热压模具成型工艺

具体流程为：根据不同的点阵结构将预浸料切割成条形；将切割好的预浸料铺设在制备好的模具上，利用热压罐成型法制成所设计的结构网架；用胶接的方法将制备好的空间网架结构与面板连接在一起，即制得所需要的复合材料点阵夹芯结构。图2为热压模具一体成型工艺图。

（3）热膨胀模塑成型工艺

其制备工艺流程为：在刚性模具上铺设纤维预浸料，将制备好的杆件（纤维预浸料绕硅橡胶软模卷制而成）放置在按一定顺序铺设好预浸料的上下层之间；将组合整体放在两块充满硅橡胶的钢板之间，放入烘箱中加热并保温，使其固化成型；脱模后将空间网架金字塔结构与制备好的面板用胶连接在一起形成复合材料金字塔点阵结构。

（4）三维编织成型工艺

该工艺具体流程为：根据结构设计尺寸制备预制面板，按编织工艺在预制面板上打孔；根据芯材高度将上下预制面板定位，将纤维束按照穿插编织法编织；将预制件张拉，放入烘箱使得纤维束固化，降温后取出，在上下面板上铺设层合板。

4、复合材料点阵结构力学性能研究

复合材料点阵结构力学在近年来得到了很多学者的大量研究，其中，自点阵结构研究取得了良好的研究成果，为今后点阵结构力学研究奠定了基础，也为完善点阵结构的结构形式和制备工艺提供了帮助。对于点阵夹芯结构复合材料，其主要由强度高、厚度薄的面板和轻质的芯材所构成，在遇到外界的负荷时，面板主要承受弯曲变形引起的正应力，而芯材主要承受厚度横向的剪切力。表征点阵夹芯结构材料力学性能的手段主要有：平压性能、侧压性能、三点弯曲性能及剪切性能。平压是指垂直于点阵夹芯结构面板的压缩，主要反映芯材杆件的性能；侧压性能和三点弯曲性能主要反映面板的性能和芯材杆件的性能；剪切性能主要反映芯材杆件与面板连接问题。

5、展望

复合材料在近年来得到了快速的发展，各种制备技术层出不穷，极大的推进了科学技术的发展，为了推动复合材料点阵结构的更广泛应用，还需要加大对制备工艺的研究进展，随着工程装备对结构轻量化要求越来越高，点阵夹芯结构复合材料作为一种新型结构功能材料，和传统材料相比，在比刚度和比强度方面都比较高，具有较高的可设计性，也可以填充不同的功能材料，在以后应用的范围将更加广泛，我们需要投入更多的精力进一步研究关于新型复合材料点阵结构，在性能上进一步增加，优化制备的工艺，尽管点阵夹芯结构复合材料的制备工艺还不够成熟，存在诸多的问题，如面芯界面强度较低、面板容易分层等，不过通过简化点阵夹芯结构复合材料制备的工艺，将可以对产品进行批量化、低成本的生产。而且可以设计出更多的新型点阵结构形式，如曲面点阵结构、多层点阵结构等，进而提高夹芯板结构的刚度和强度。

参考文献：

[1]吴林志，熊健，马力，王兵，张国旗，杨金水. 新型复合材料点阵结构的研究进展[J]. 力学进展，2012，01：41-67.

[2]吴倩倩. 新型复合材料金字塔点阵结构的制备及力学性能研究[D].哈尔滨工业大学，2015.

[3]徐龙星，赵启林，陈浩森，方岱宁，艾士刚. 复合材料点阵结构新型结点连接方式研究[J]. 玻璃钢/复合材料，2013，Z2：3-6.

[4]王亚梅，韩冰，史翔，贡智兵. 复合材料点阵结构及成型工艺研究进展[J]. 材料导报，2015，S2：538-541.