一種太陽能飛機輕量化用的複合材料的製作方法

2023-05-27 23:05:51 1

本發明涉及太陽能飛機製造領域，具體涉及一種太陽能飛機輕量化用的複合材料。

背景技術：

飛機機身設計時通常要求保證結構的強度要求，同時使重量儘可能輕，以增大飛機的載重。在現在的飛機製造當中，金屬是飛機的製造的主要原材料，如採用鋁合金結構，但由於金屬具有密度大，重量重，造型加工困難等等一些因素，使用在飛機上會增加飛機的重量，增加了加工成本，減少航空器應有的載重。隨著先進複合材料的出現，現在開始採用全複合材料機身結構，複合材料在超輕型飛機上的應用成為其發展歷程上的一次技術革命。但是，由於複合材料的製作工藝與常用連接方式本身具有多種不同方式且與金屬結構差異很大，因此結構設計也各不相同因此找到一種能充分發揮複合材料性能，以較輕的重量保證機身強度的結構，提高複合材料機身的結構強度和安全性，具有重要意義。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種加工成本低、可大幅度降低飛機重量的一種太陽能飛機輕量化用的複合材料。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種太陽能飛機輕量化用的複合材料，該複合材料用於製作太陽能飛機的機身，所述的複合材料包括依次排布的內纖維層、泡沫層和外纖維層，內纖維層、泡沫層和外纖維層呈三明治夾心結構，所述的內纖維層、泡沫層和外纖維層通過樹脂進行連接，所述的內纖維層鋪貼飛機表面板材的背面，整個機身的製作結構上全部使用的是該三明治夾心結構的複合材料，以減輕飛機自身的重量，提高飛機的載重。

所述的內纖維層的厚度為0.1～0.3mm，泡沫層的厚度為1～4mm，外纖維層的厚度為0.1～0.3mm，相對於其他全部實用玻璃纖維補貼的工藝，此三明治夾心結構可以最大化的減輕重量，並且採用所述的厚度，該材料保證了應有的強度和剛度。

此結構形成的複合材料除了重量輕以外，所形成的總體強度和剛度可以與金屬相比，甚至比金屬的某些物理性能還要好。另外，實用複合材料加工構型簡單，相對於金屬來說更易於加工，省時省力，加工成本低，是生產加工的趨勢。

所述的纖維包括玻璃纖維或碳纖維中的一種。兩種纖維材料均有很好的機械強度，而且其密度遠遠小於金屬，是複合材料中非常優質的增強材料。

所述的泡沫包括pvc泡沫或pmi泡沫中的一種，所述的泡沫層上具有孔徑不大於1.2mm的通孔。pmi泡沫具有良好的力學性能、熱變形溫度和化學穩定性，是高性能夾層結構複合材料的理想芯層材料，而且密度小，適合對太能飛機輕量化的要求。pvc泡沫的重量非常輕，而且具有良好的防水、阻燃、耐酸鹼、防蛀、質輕、保溫、隔音、減震等特性，是是木材、鋁材、複合板材的理想替代品。泡沫在此結構中主要起填充的作用，用於減輕結構的質量，另外，在泡沫上會有間隔2cm的通孔，纖維上的樹脂經過抽真空後，進入孔中，固化形成類似混凝土中鋼筋的結構，用於增強結構的強度。通孔結構的設置便於環氧樹脂浸潤填充通孔，相當於間接增大了內纖維層、外纖維層與泡沫層的接觸面積，而且當環氧樹脂固化後，其在泡沫層內還能能夠充當一部分支撐骨架支柱的作用，有利於該複合材料的約束固化成型，同時還能使得內纖維層、外纖維層和泡沫層三者形成一個承力整體，進而大大提高太陽能飛機的強度與耐衝擊性能。

所述的樹脂為環氧樹脂與固化劑混合而成的樹脂，優選為285環氧樹脂和287固化劑按照100:40比例混合而成的樹脂，該樹脂為德國進口樹脂，能將太陽能電池板、內纖維層、泡沫層、外纖維層四層材料緊密的膠黏在一起，即該樹脂起的作用相當於混凝土中鋼筋的作用。

所述的複合材料與太陽能飛機的表面板材採用手糊袋壓成型工藝進行鋪貼，該工藝包括以下幾個步驟：

(1)根據太陽能飛機部件製作陰模模具，並將太陽能飛機的表面板材固定到模具上；

(2)將用所述的樹脂預浸過的內纖維層鋪貼在所述表面板材的背面；

(3)將所述的泡沫層鋪貼在內纖維層上，滾壓使得內纖維層與表面板材或泡 沫層完全服帖；

(4)將用所述的樹脂預浸過的外纖維層鋪貼在泡沫層表面，形成三明治夾心結構；

(5)利用真空袋抽真空，將表面板材、內纖維層、泡沫層、外纖維層和模具壓在一起。

所述的表面板材包括太陽能電池板。

所述的抽真空在真空度0.06mpa及以下進行，該真空度所產生的壓力對於複合材料是最適合的，即不至於對未固化的泡沫結構造成損壞，也不至於使層間壓力不夠，達不到完全粘合的效果。

與現有技術相比，本發明的有益效果體現在：

(1)使用三明治夾心的複合材料代替金屬作為太陽能飛機的製造原材料，在不減小飛機機身強度的前提下，可以極大的減輕飛機的重量，增加飛機的載重，提供飛機使用效率；

(2)製作工藝簡單，成型過程中對表面板材的壓力低且分布均勻，基本不會發生表面板材損壞的情況。此外，選用的粘接材料環氧樹脂的固化溫度低，使得整個對整個工藝條件的要求很低；

(3)成本低廉、結構輕：本發明所選用的纖維布、泡沫和粘接用的樹脂等的來源廣泛，價格較低，重量較低，特別適合於在太陽能飛機上的應用。

附圖說明

圖1為本發明設計的太陽能飛機的結構鋪層圖。

其中，1為模具，2為太陽能電池板，3為內纖維層，4為泡沫層，5為外纖維層。

具體實施方式

下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。

實施例1

一種太陽能飛機輕量化用的複合材料，是在太陽能飛機表面板材的背面鋪貼復 合材料，該複合材料為纖維、泡沫和纖維依次排布的三明治夾心結構型材料，使用三明治夾心的複合材料代替金屬作為太陽能飛機的製造原材料，可以極大的減輕飛機的重量，增加飛機的載重，提供飛機使用效率。

該複合材料包括內纖維層3、泡沫層4和外纖維層5，其中，內纖維層3採用碳纖維材料，其厚度為0.3mm，泡沫層4採用pmi泡沫，其厚度為1mm，泡沫層4上具有孔徑不大於1.2mm的通孔，閉孔相互之間的距離為2cm，外纖維層5採用碳纖維材料，其厚度為0.3mm。

該太陽能飛機採用手糊袋壓成型工藝進行生產，在溫度為18℃，相對溼度為40％條件下進行，表面板材為太陽能電池板2，主要包括以下幾個步驟：

(1)根據翼型製作翼型陰模模具1，並將太陽能電池板2板固定到模具1上；

(2)用285環氧樹脂和287固化劑按照100:40比例混合而成的樹脂預浸玻璃纖維布，並將該玻璃纖維布鋪貼到所述太陽能電池板2的背面，形成內纖維層3；

(3)在內纖維層3上鋪貼pmi泡沫，形成泡沫層4，然後進行滾壓，使太陽能電池板2、內纖維層3和泡沫層4完全服帖；

(4)在泡沫層4再鋪貼一層用樹脂預浸好的玻璃纖維布，形成外纖維層5，外纖維層5與內纖維層3和泡沫層4形成三明治夾心結構；

(5)利用真空袋在真空度為0.06mpa條件下抽真空，將太陽能電池板2、內纖維層3、泡沫層4、外纖維層5與模具1壓在一起，形成太陽能飛機的機翼，其結構鋪層如圖1所示。

用該複合材料代替金屬材料製作的機翼，不僅保證了機翼的強度，還減輕了機翼的重量，以提高飛機的載重。

實施例2

採用與實施例1相類似的複合材料以及製作工藝，不同之處在於：

(1)內纖維層採用玻璃纖維材料，其厚度為0.1mm，泡沫層採用pvc泡沫，其厚度為4mm，泡沫層上具有孔徑不大於1.2mm的通孔，閉孔相互之間的距離為2cm，外纖維層採用玻璃纖維材料，其厚度為0.1mm。

(2)飛機的製作在22℃、60％相對溼度的條件下完成的。