本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板的制備方法，通過鋪設(shè)碳纖維預(yù)浸料層和形狀記憶聚合物層并高溫固化，形成嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板。本發(fā)明專利技術(shù)解決了目前雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板兩個穩(wěn)態(tài)突變載荷相近、難以驅(qū)動且曲率受溫度影響大、常溫下曲率不可改變以及無法實(shí)現(xiàn)熱驅(qū)動等問題。由于本發(fā)明專利技術(shù)中加入了形狀記憶聚合物層，結(jié)構(gòu)剛度得到提高，第二穩(wěn)態(tài)到第一穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)換較易驅(qū)動，例如接觸式和非接觸式熱驅(qū)動都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，且在低于形狀記憶聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，第一穩(wěn)態(tài)曲率仍然能保持穩(wěn)定。因此，本發(fā)明專利技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用前景。更廣泛的應(yīng)用前景。更廣泛的應(yīng)用前景。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板的制備方法
[0001]本專利技術(shù)屬于智能材料
，具體涉及一種嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板的制備方法。
技術(shù)介紹
[0002]智能碳纖維變形材料是一種新型的高性能復(fù)合材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和智能響應(yīng)特性。在碳纖維技術(shù)的發(fā)展過程中，碳纖維強(qiáng)度和彈性模量的提高一直是技術(shù)難點(diǎn)。近年來，隨著碳纖維研究的不斷深入，基于碳纖維的智能材料越來越受到關(guān)注。
[0003]智能碳纖維變形材料采用了先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料制備技術(shù)，在增強(qiáng)材料中添加了聚合物、金屬或氧化物等智能響應(yīng)材料，通過在外界作用下進(jìn)行形變或自適應(yīng)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)智能響應(yīng)。這種材料具有高強(qiáng)度、高模量、低密度等優(yōu)異性能，同時具有良好的自適應(yīng)性和智能響應(yīng)性。
[0004]雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板是一種具有兩種不同穩(wěn)定狀態(tài)特性的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由碳纖維與樹脂復(fù)合而成，在高溫冷卻過程中會出現(xiàn)殘余應(yīng)力，導(dǎo)致復(fù)合材料層合板殼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)兩個不同曲率的穩(wěn)定狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)不需要外力作用就能穩(wěn)定在兩種自然平衡位置，并且擁有很小的能量消耗就能實(shí)現(xiàn)相對較大的撓度，是一種節(jié)能的可變形結(jié)構(gòu)。雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板在可變形飛行器、航空航天、能量采集器、減振器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際工程應(yīng)用中，雙穩(wěn)態(tài)板殼結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生非線性振動，因此對于其振動特性的研究和控制具有重要的意義。
[0005]但目前雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)熱驅(qū)動，不可以改變常溫下的曲率，以及曲率受溫度影響變化大，驅(qū)動載荷大，此外兩種穩(wěn)態(tài)兩個穩(wěn)態(tài)載荷相近、難以靈活調(diào)節(jié)驅(qū)動，可調(diào)節(jié)性差，這些不足限制了該結(jié)構(gòu)在空間領(lǐng)域、軟體機(jī)器人領(lǐng)域等領(lǐng)域的應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
[0006]針對上述問題情況，本專利技術(shù)提供一種嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板的制備方法，本專利技術(shù)的目的是為了通過在平板壓制鋪設(shè)的雙穩(wěn)態(tài)層合板中加入形狀記憶聚合物，使其實(shí)現(xiàn)具有較低的驅(qū)動載荷，且可實(shí)現(xiàn)熱驅(qū)動，在溫度環(huán)境中第一穩(wěn)態(tài)曲率具有一定穩(wěn)定性，并可通過形狀記憶聚合物改變層合板的曲率。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采取的技術(shù)方案為：一種嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板的制備方法，包括如下步驟：S1：通過建模軟件對形狀記憶聚合物層進(jìn)行建模，導(dǎo)入3D打印機(jī)切片軟件，生成模型代碼，導(dǎo)入3D打印機(jī)制備形狀記憶聚合物層；S2：將單向碳纖維預(yù)浸料使用裁剪機(jī)得到需要的鋪設(shè)形狀，將裁剪好的碳纖維預(yù)
浸料和形狀記憶聚合物層按照一定的鋪設(shè)順序在金屬平板上進(jìn)行鋪設(shè)，所述單相碳纖維預(yù)浸料的數(shù)量為偶數(shù)層，形狀記憶聚合物作為中間層，鋪設(shè)完成后由另一金屬平板壓制，放入熱壓罐進(jìn)行高溫固化；S3：固化完成后，從熱壓罐中快速取出放入室溫下自然冷卻，獲得嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板，且處于第一穩(wěn)態(tài)；S4:通過外力改變第一穩(wěn)態(tài)的形狀，獲得臨時形狀的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板，且處于第二穩(wěn)態(tài)。
[0008]進(jìn)一步的，所述形狀記憶聚合物層的面積小于或等于單相碳纖維預(yù)浸料的面積。
[0009]進(jìn)一步的，所述形狀記憶聚合物層的形狀為長方形、正方形、十字形、叉形中的一種，形狀記憶聚合物層的厚度為0.1
?
2mm。
[0010]進(jìn)一步的，所述單向碳纖維預(yù)浸料的形狀為長方形、正方形或花瓣形，單向碳纖維預(yù)浸料的厚度為0.01
?
0.15mm。
[0011]進(jìn)一步的，步驟S2中按照一定的鋪設(shè)順序進(jìn)行鋪設(shè)，具體為：相等數(shù)量的單向碳纖維預(yù)浸料對稱分布在形狀記憶聚合物層的上下兩側(cè)，每一側(cè)的單相碳纖維預(yù)浸料的纖維方向按照0
°
和90
°
依次交替設(shè)置。
[0012]進(jìn)一步的，步驟S2中高溫固化的溫度為120
?
180℃，固化時間為1
?
3h。
[0013]進(jìn)一步的，所述形狀記憶聚合物材料為PLA型形狀記憶聚合物、PET型形狀記憶聚合物、環(huán)氧樹脂型形狀記憶聚合物中的一種；所述單向碳纖維預(yù)浸料為T700單向碳纖維環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料、T800單向碳纖維環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料、T700單向碳纖維雙馬來酰胺基預(yù)浸料、3D打印的碳纖維層中的一種；所述金屬平板為由耐高溫布包覆的鐵板、鋁板、銅板中的一種。
[0014]本專利技術(shù)還公開了根據(jù)上述方法制得的嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板，由復(fù)合材料層合板第二穩(wěn)態(tài)返回到第一穩(wěn)態(tài)的驅(qū)動方法為：通過施加外部載荷、或采用加熱或光照的方式使得第二穩(wěn)態(tài)曲率逐漸降低，達(dá)到一定值后失去穩(wěn)定性，突變?yōu)榈谝环€(wěn)態(tài)，即實(shí)現(xiàn)從第二穩(wěn)態(tài)到第二穩(wěn)態(tài)的突變。
[0015]進(jìn)一步的，改變常溫下第一穩(wěn)態(tài)曲率的方法為：將第一穩(wěn)態(tài)的復(fù)合材料層合板加熱到形狀記憶聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，然后施加一定的外力載荷改變復(fù)合材料層合板的曲率，使得曲率維持在期望值，保持一段時間后，降溫冷卻到室溫，然后卸掉載荷，曲率將維持在期望值的狀態(tài)保持穩(wěn)定，即改變了復(fù)合材料層合板的穩(wěn)態(tài)曲率。
[0016]進(jìn)一步的，提高第一穩(wěn)態(tài)的突變載荷，降低第二穩(wěn)態(tài)的突變載荷的方法為：通過改變形狀記憶聚合物層的形狀或尺寸，能夠改變第一穩(wěn)態(tài)和第二穩(wěn)態(tài)之間的突變載荷，當(dāng)形狀記憶聚合物層的形狀或面積改變，使得形狀記憶聚合物層在復(fù)合材料層合板中的占比增大時，第一穩(wěn)態(tài)向第二穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的突變載荷提高，第二穩(wěn)態(tài)向第一穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的突變載荷降低。
[0017]本專利技術(shù)成功解決了目前雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板兩個穩(wěn)態(tài)載荷相近、難以驅(qū)動且曲率受溫度影響大、常溫下曲率不可改變以及無法實(shí)現(xiàn)熱驅(qū)動等問題。由于本專利技術(shù)中加入了形狀記憶聚合物層，結(jié)構(gòu)剛度得到提高，第二穩(wěn)態(tài)到第一穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)換較易驅(qū)動，例如接觸式和非接觸式熱驅(qū)動也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，在低溫下第一穩(wěn)態(tài)曲率仍然能保持穩(wěn)定。因此，本專利技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用前景。
[0018]本專利技術(shù)的嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板可實(shí)現(xiàn)的作用包括提高第一穩(wěn)態(tài)的突變載荷，降低第二穩(wěn)態(tài)的突變載荷，能夠通過熱驅(qū)動從第二穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換為第一穩(wěn)態(tài)，可通過改變形狀記憶聚合物的臨時形狀來改變整體層合板的穩(wěn)態(tài)曲率；此外，還可在低于形狀記憶聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下大幅降低第一穩(wěn)態(tài)曲率對溫度的敏感性。以上功能調(diào)整，使得嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板的功能性更強(qiáng)，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行靈活調(diào)整，更加智能化，具有更廣泛的應(yīng)用前景。
附圖說明
[0019]圖1為嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板鋪設(shè)示意圖；圖2為嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板熱驅(qū)動示意圖；圖3為嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板改變穩(wěn)態(tài)曲率示意圖。
具體實(shí)施方式
[0020]下面通過實(shí)施例對本專利技術(shù)的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然所描述的實(shí)施例僅僅是本專利技術(shù)一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本專利技術(shù)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本專利技術(shù)保護(hù)的本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
【技術(shù)特征摘要】
1.一種嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：S1：通過建模軟件對形狀記憶聚合物層進(jìn)行建模，導(dǎo)入3D打印機(jī)切片軟件，生成模型代碼，導(dǎo)入3D打印機(jī)制備形狀記憶聚合物層；S2：將單向碳纖維預(yù)浸料使用裁剪機(jī)得到需要的鋪設(shè)形狀，將裁剪好的碳纖維預(yù)浸料和形狀記憶聚合物層按照一定的鋪設(shè)順序在金屬平板上進(jìn)行鋪設(shè)，所述單相碳纖維預(yù)浸料的數(shù)量為偶數(shù)層，形狀記憶聚合物作為中間層，鋪設(shè)完成后由另一金屬平板壓制，放入熱壓罐進(jìn)行高溫固化；S3：固化完成后，從熱壓罐中快速取出放入室溫下自然冷卻，獲得嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板，且處于第一穩(wěn)態(tài)；S4:通過外力改變第一穩(wěn)態(tài)的形狀，獲得臨時形狀的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板，且處于第二穩(wěn)態(tài)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板的制備方法，其特征在于，所述形狀記憶聚合物層的面積小于或等于單相碳纖維預(yù)浸料的面積。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板的制備方法，其特征在于，所述形狀記憶聚合物層的形狀為長方形、正方形、十字形、叉形中的一種，形狀記憶聚合物層的厚度為0.1
?
2mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板的制備方法，其特征在于，所述單向碳纖維預(yù)浸料的形狀為長方形、正方形或花瓣形，單向碳纖維預(yù)浸料的厚度為0.01
?
0.15mm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板的制備方法，其特征在于，步驟S2中按照一定的鋪設(shè)順序進(jìn)行鋪設(shè)，具體為：相等數(shù)量的單向碳纖維預(yù)浸料對稱分布在形狀記憶聚合物層的上下兩側(cè)，每一側(cè)的單相碳纖維預(yù)浸料的纖維方向按照0
°
和90
°
依次交替設(shè)置。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種嵌入形狀記憶聚合物層的雙穩(wěn)態(tài)碳纖維復(fù)合材料層合板的制備方法，其...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張征，楊國權(quán)，潘柏松，孫敏，張廣，姜少飛，馬永龍，李吉泉，彭翔，
申請(專利權(quán))人：浙江工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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