层合复合材料Zpin增强技术研究进展

Structm—CompositeManufadumgTec№蛳复合材料结构件制造技术 层合复合材料Z-pin增强 技术研究进展 ResearchProgressofZ-pinReinforcedCompositeLaminate 南京航空航天大学孙涛李勇王鹏马丹范琳程培忠 肖军 孙涛 南京航空航天大学材料科学与技 术学院硕士研究生．研究方向为复合材 料自动化成型。 纤维增强复合材料层合板具有 良好的面内力学性能和可 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 性，但 较低的层间强度和层间断裂韧性影 响了其工程应用，层合板在低能量冲 击(如加工过程中的工具跌落或机 场跑道上砂石对机翼冲击等)下容 易产生分层而导致结构失效，厚板 及开口处容易产生分层破坏；共固 化共胶结结构容易在结合面上形成 纤维增强复合材料层合板具有良好的面内力学性能和可 设计性，但较低的层间强度和层间断裂韧性影响了其工程应 用。应用各种z向增强技术(包括缝合技术．三维编织．Z-pin 增强技术等)提高层合复合材料抗分层性能是航空复合材料结 构技术的重要研究内容。 结构薄弱点。应用各种Z向增强技 术(包括缝合技术、三维编织、Z-pin 增强技术等)提高层合复合材料抗 分层性能是航空复合材料结构技术 的重要研究内容。其中，Z—pin增 强技术是自20世纪90年代中期发 展起来的一种增强层合复合材料层 间韧性的新技术。与其他三维增强 技术相比，该项技术具有更容易操 作、便于控制工艺质量等优点，尤其 适于预浸料成型工艺。本文简要介 绍了Z-pin增强技术的工艺特点， 重点综述了这一领域国内研究的最 新进展。 Z-pin增强技术及其应用 Z—pin增强技术是将针状细杆 Z—pin植入到未固化的层合构件形 成三维增强，从而提高其层间抗破坏 能力。常用的Z-pin材料是直径为 0．2～1．0mm的高强度、高模量钛 合金针和碳纤维针。在摩擦力和材 料对其约束的双重作用下，Z-pin像 钉子一样将层合板的各个子层固结 在一起。 20世纪末，美国Aztex公司提出 了UAZ(UltrasonicallyAssisted Z-Fibre)工艺 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，将其用于大规 模的高速植入Z-pin，其中将Z-pin 植入到未固化的层合板包括2个步 骤：首先用数控植入机将Z—pin按 预先设计的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 植入到泡沫载体 中，然后用专用的超声波枪将植入 到泡沫中的Z—pin压入层合板，最 后去掉压碎的泡沫。UAZ已成为 现阶段应用最广泛的Z-pin植入工 2009年第15期·航空翻造技术43 万方数据 7论坛FoRuM 艺。 层合结构中植入少量的Z—pin (体积分数一般为0．5％～4．0％)后， 可获得明显的增韧效果。1998年波 音公司率先在F／A-18E／F战斗机 上采用Z—pin增强技术，在机身段 和进气道使用手工植入Z-pin来取 代传统的机械联接方式，增强部位 面积达5．1m2，共取代4600处机械 联接紧固件，每架战机减重17kg，减 少成本83000美元。在民用方面， Z—pin已用于增强F1赛车的防滚 架。 Z-pin增强技术的发展 Z-pin增强技术是目前层合复 合材料增韧领域的新技术，公开发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 文献主要集中在美国、澳大利亚、英 国等发达国家。美国波音公司申请 了一系列Z—pin增强技术的专利， 其中包括Z—pin增强夹层结构和 Z-pin增强层合板。 Z—pin增强技术是装备技术、材 料工艺技术的综合技术集成，包括： (1)Z—pin材料及拉挤技术。材 料体系应满足快速固化以适应拉挤 成型要求；应用热分析及工艺模拟 与试验，确定预处理温度、最佳模具 的温度分布、拉挤速度等工艺参数。 (2)Z-pin过渡植入技术。采用 数控技术将Z-pin植入到过渡泡沫， 需要开发专用设备及其软硬件系统， 精确控制Z-pin植入位置、深度和 植入角度。 (3)低成本载体技术。研究不同 泡沫对Z-pin的握力与支撑刚性、 压缩后残余变形与恢复特性，筛选适 用于不同结构特征的低成本泡沫材 料。 (4)超声植入工艺与装备。研究 超声频率与功率密度对植入效果的 影响，开发专用超声锤系统。 (5)Z-pin增强设计数据库。研 究不同Z-pin材料、密度、植入方式、 工艺及其对层间和面内性能的影响 44航空制造技术·2009年第15期 规律，获得设计数据。 国内Z--pin增强技术的 研究现状 国内研究Z-pin增强技术已有 几年历史，基础研究主要包括各种力 学行为与机理理论分析，但Z-pin 增强设计制造与应用技术在国内仍 处于试验阶段。 目前Z—pin增强技术基础研究 主要集中在Z-pin对于材料性能的 影响，不仅包括抗分层、冲击损伤容 限、厚度方向的刚性、连接强度和接 头挤压强度等，而且包括Z—pin植 入导致材料面内性能的降低(如拉 伸强度、压缩强度、弯曲强度和疲劳 特性等)。大连海事大学的孙先念 等建立了用于分析含有Z-pin的双 悬臂梁(DoubleCantileverBeam， DCB)的有限元模型，通过数值算例 分析了Z-pin对层间韧性增强效果 的影响及其原因。数值计算结果表 明：Z—pin的几何分布对其增强层 间韧性的影响相对较小。清华大学 航空航天学院的滕锦等对层合板的 低速冲击损伤过程进行了有限元模 拟，并对含有直径1．12mm、体积分 数l％的T300／3234碳纤维树脂基 复合材料进行了研究，结果表明：采 用碳纤维Z-pin增强可使冲击后层 间分层区面积减少50％左右，有限 元模拟的结果为50．6％。中国飞机 强度研究所的张阿盈等用模拟计算 的方法研究了Z-pin增强复合材料 DCB层合板I型裂纹的疲劳扩展问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。模拟计算表明：无论是位移控制 模式还是载荷控制模式，Z-pin都可 以有效地降低分层扩展速率。 国内Z-pin增强设计制造研究 起步先干基础研究，但受装备技术制 约进展缓慢。北京航空制造工程研 究所较早开展Z-pin制造技术及应 用研究，手工制Z—pin、通过模具导 向过渡植入、应用进口超声锤实现了 Z—pin增强锤制造，为国内诸多单 位开展理论研究提供了支撑，并将 缝合技术与Z-pin技术有效结合， 对某盒形件开展了有益探索。南京 航空航天大学以自动化和工程应用 为目标，从装备与工艺入手，2007年 研制成功Z—pin拉挤技术及装备、 Z-pin数控植入机及Z-pin过渡泡 沫技术，2008年研制成功超声植入 锤，开展了Z—pin植入和典型件性 能试验探索，形成了成套技术与装 备，2008年开始与多家航空企事业 单位及民用复合材料单位合作，进行 Z-pin增强技术试验，研究Z—pin 的直径、体积分数、植入角度对层合 板面内力学性能的影响。 万方数据 Structura·Composl圳。怕。㈣gTe。nno，哪，复合材料结构件制造技术 量下降4％。而对 于航空航天领域广 泛采用的【0／90]、 [0／+45／一45／90】 铺层，则影响较小。 Z—pin的植入 改变了层合板内的 微观结构，微观结 构的改变决定了其 面内损失和层间增 1z—pin增强复合材料基本性能研究强效果。首先分析Z—pin对层合板 试验件：碳／环氧复合材料预 微观结构的影响。 浸料，铺层方式为【0】。、【0】，2、【90】12’ (1)对纤维的影响：Z—pin被压 [0／+45／一45／90]2s、【45／一4514s、[(0，入到层合板过程中，在面内方向上， 90)k、[(+45)／(0，90)k、【(±45)k。周围的纤维会变形为波浪状绕开 Z—pin·T300碳纤维／环氧拉挤Z—pin，并在周围形成一个“眼状” 单向复合材料。 区域。同时，压入过程会使周围的纤 拉伸试验结果表明：对于 维在厚度方向上产生变形。 ≯0．3mm和妒0．5mm的Z—pin，植(2)对树脂基体的影响：由于 入体积分数为2％～4％时，层合板 Z—pin周围的纤维在压入过程中变 面内力学性能(强度、模量)损失在 形，在Z—pin周围会形成一个富树 5％～10％之间，泊松比基本没有变脂区，这一区域在层合板固化后会成 化，破坏模式相同。Z—pin对于不同为一个薄弱点，从而影响层合板的面 铺层方式的影响也不同，其中对于单 内力学性能。 向铺层的影响最大，例如对于铺层方 其次，分析Z—pin直径和体积分 式[0】。，相比于空白样件，Z—pin增数的影响，随着直径的增大，受损伤 强样件拉伸强度下降9．4％，拉伸模 的纤维会增多，并且单根Z—pin周 围所形成的“眼状”区域面积也会增 大，从而导致面内力学性能的降低。 而随着体积分数的加大，除了眼状区 域的总体面积会增大外，Z—pin之间 很小的间距还有可能使得相邻的区 域连接成为一个更大的富树脂区，从 而使得性能急剧下降。 2 Z—Pin增强复合材料II型断裂性 能研究 采用端部预制裂纹弯曲试验 (EndNotchedFlexure，ENF) 方法研究了Z—pin的植入密度 对【01：。铺层层合板Ⅱ型层间断裂 韧性的影响。Z—Pin植入密度为 4mmX4mm(体积分数0．44％)、 2ram×2ram(体积分数1．77％)、 1．5ramX1．5ram(体积分数3．14％)。 结果表明：相比于空白样件，Z-Pin 增强样件Ⅱ型层间断裂韧性分别提 高31．3％、190％、350％。 3 Z-pin增强复合材料应用研究 为拓宽Z—pin技术在民用复合 材料应用，南京航空航天大学与扬州 新扬科技发展产业有限公司合作，针 对深油井复合材料高压油管轴向拉 伸载荷大、螺纹接头部分易出现拉脱 失效的问题，应用Z-pin技术增强 最薄弱的螺纹连接部分来提高接头 的连接强度。结果表明：在轴向拉 伸载荷下，植入少量的Z-pin能显 著提高螺纹接头的连接强度，改善 各齿的应力分布，提高齿根部纤维 层的层间剪切强度。并基于试验观 察和数据分析，深入研究了螺纹接 头的破坏模式和Z-pin技术的增强 机理，其增强机理是植入的Z-pin 在层间裂纹处形成桥接区域，从而 有效地阻止了早期裂纹的扩展，改 善了破坏模式，接头的破坏载荷提 高10％以上。 结束语 Z-pin增强技术是目前层合复合 材料增韧领域的新技术，国内外研究 工作已经取得了很多成果，但尚有许 多基础问题需要研究：(1)Z-pin的 增韧机理尚不明确，尽管目前已经提 出了多种细观力学模型来模拟其增 韧作用，但这些模型是基于实验观察 的推测或理论预报，其应用受材料体 系与测量方法的限制，因此，对增韧 机理还需要进一步深入研究来完善； (2)评估Z-pin的各设计参数的统 一试验和分析标准还没有形成，亟待 建立可供工程应用的公式、图标和数 据库；(3)Z-pin的植入角度对于材 料性能的影响有待深入研究，特别是 带角度的Z-pin对于接头连接强度 的影响。而就应用而言，更需要设计 制造和研究人员积极合作，研究不同 材料体系，结构单元及其增强效应和 规律，通过试验获得工程实用数据， 大胆应用。 (责编小瘕) 21)09年第15期·航宅嗣造技术45 万方数据 层合复合材料Z-pin增强技术研究进展 作者： 孙涛， 李勇， 王鹏， 马丹， 范琳， 程培忠， 肖军 作者单位： 南京航空航天大学 刊名： 航空制造技术 英文刊名： AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2009，(15) 引用次数： 0次 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hkgyjs200915005.aspx 下载时间：2010年2月8日