CN115056512B - 一种共固化成型复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种共固化成型复合材料及其制备方法，该制备方法包括：对固态结构件进行钻孔处理，得到至少一个预留孔；其中，所述预留孔为通孔或盲孔；在包括所述至少一个预留孔的固态结构件上铺覆纤维材料层，并根据所述预留孔和纤维束制备用于连接所述固态结构件和所述纤维材料层的铆接结构，以得到预制体；采用液体成型工艺或预浸料模压成型工艺对所述预制体进行成型处理，得到所述共固化成型复合材料。本发明提供的共固化成型复合材料采用高纤维体积含量类铆接结构进行连接，其结构完整且力学性能优异，显著提高了其界面性能，该制备方法不仅简化了成型工序，还实现减重，降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种共固化成型复合材料及其制备方法。
背景技术
树脂基复合材料由于其具有较高的比刚度、比强度，耐腐蚀能力，且有很强的可设计性等，在航空航天领域被广泛用于舱体、翼面结构等主承力件上。目前通过整体法设计可以使复合材料构件结构整体成型，该整体成型的优点是复合材料构件力学强度高，同时减少零部件数量，显著降低成本。
由于大型复合材料构件的结构往往异常复杂，还有部分金属结构等，一次性整体成型非常困难，因此在设计过程中，往往会把复杂产品结构分成简单的零部件固态结构，最后再组装起来共固化整体成型。针对这些简单的零部件，若单独采用胶接方式，会导致复合材料构件的强度过低；若采用铆接和螺接连接方式，不仅会对复合材料构件的结构造成破坏，增加重量，且其性能也低于整体成型的复合材料结构，难于应用在最后的整体成型；若采用相邻的通孔进行两两孔相贯通缝合的方式，则由于孔的方向过于定向，缝合线本身有一定的厚度，随着两孔之间缝合线数量的增多，缝线会越来越厚，导致最后复合材料铺层受到影响，并影响产品的力学性能；同时，缝合常采用韧性较好的缝线，因而其刚度较差，提升界面性能的能力有限。
发明内容
本发明实施例提供了一种共固化成型复合材料及其制备方法，该共固化成型复合材料的连接强度高，显著提高了其界面性能，由纤维束制备的铆接结构纤维体积含量高，结构完整且力学性能优异，该制备方法不仅简化了成型工序，还确保了大型复杂构件的整体成型，同时实现减重及降低成本。
第一方面，本发明提供了一种共固化成型复合材料的制备方法，所述制备方法包括：
对固态结构件进行钻孔处理，得到至少一个预留孔；其中，所述预留孔为通孔或盲孔；
在包括所述至少一个预留孔的固态结构件上铺覆纤维材料层，并根据所述预留孔和纤维束制备用于连接所述固态结构件和所述纤维材料层的铆接结构，以得到预制体；
采用液体成型工艺或预浸料模压成型工艺对所述预制体进行成型处理，得到所述共固化成型复合材料。
优选地，所述固态结构件为金属构件或复合板材构件；
所述盲孔为阶梯盲孔，且底部区域的孔径大于上端区域的孔径。
优选地，所述制备方法还包括：
对所述固态结构件的表面进行预处理，以使该表面粗糙。
更优选地，所述预处理为喷砂或打磨。
优选地，当所述预留孔的个数为一个时，优选所述预留孔位于所述固态结构件的中心位置。
优选地，所述铆接结构由所述纤维束制成。
优选地，所述纤维材料层为预浸料或干态织物。
更优选地，所述纤维材料层为碳纤维层。
优选地，所述纤维束由浸胶纤维线或干态纤维线组成。
更优选地，所述纤维束为碳纤维。
优选地，所述预留孔为通孔时，所述在包括所述至少一个预留孔的固态结构件上铺覆纤维材料层，并根据所述预留孔和纤维束制备用于连接所述固态结构件和所述纤维材料层的铆接结构，包括：
在包括所述通孔的固态结构件的上表面和下表面分别铺覆纤维材料层，将所述纤维束穿过所述预留孔和所述纤维材料层，并铺覆在所述纤维材料层的表面，再对所述纤维束进行定型，得到所述铆接结构。
优选地，所述预留孔为盲孔时，所述在包括所述至少一个预留孔的固态结构件上铺覆纤维材料层，并根据所述预留孔和纤维束制备用于连接所述固态结构件和所述纤维材料层的铆接结构，包括：
在设有所述盲孔的固态结构件的表面铺覆纤维材料层，将所述纤维束的一端固定在所述盲孔的底部区域，另一端经所述盲孔穿过所述纤维材料层，并铺覆在所述纤维材料层的表面，再对所述纤维束进行定型，得到所述铆接结构。
优选地，所述铺覆在所述纤维材料层的表面，包括：
所述纤维束以所述预留孔为圆心，按照等分圆的方式逐束分布在所述纤维材料层的表面；其中，所述纤维束由若干束子纤维束组成。
更优选地，所述子纤维束的厚度小于所述共固化成型复合材料的厚度的1/5。
优选地，当所述预留孔的个数为至少两个时，L0＞2l；其中，L0为孔边距，l为所述纤维束经所述预留孔铺在所述纤维材料层表面的长度。
更优选地，l大于对应所述共固化成型复合材料的厚度。
优选地，所述在包括所述至少一个预留孔的固态结构件上铺覆纤维材料层，并根据所述预留孔和纤维束制备用于连接所述固态结构件和所述纤维材料层的铆接结构，包括：
根据所述共固化成型复合材料的厚度，确定所述纤维材料层的铺覆层数；
在包括所述至少一个预留孔的固态结构件上每铺覆至少一层纤维材料层，制备铆接结构，直至达到所述铺覆层数。
优选地，所述在包括所述至少一个预留孔的固态结构件上铺覆纤维材料层，并根据所述预留孔和纤维束制备用于连接所述固态结构件和所述纤维材料层的铆接结构，包括：
根据所述共固化成型复合材料的厚度，确定所述纤维材料层的铺覆层数；
在包括所述至少一个预留孔的固态结构件上铺覆纤维材料层，在达到所述铺覆层数后，制备所述铆接结构。
优选地，在制备所述铆接结构之后，得到所述预制体之前，还包括：在最外层的纤维材料层上再铺覆一层纤维材料层，以将所述铆接结构覆盖在所述预制体的内部。
更优选地，采用所述液体成型工艺对所述预制体进行成型处理；所述液体成型工艺包括树脂传递模塑工艺、真空辅助成型工艺。
第二方面，本发明提供了采用上述第一方面所述的制备方法制备得到的共固化成型复合材料。
本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
(1)本发明提供了一种基于高纤维体积含量类铆接结构来整体共固化成型复合材料的制备方法，该方法使用纤维束在固态结构件的预留孔内形成高纤维体积含量的铆接结构，并通过该铆接结构连接纤维材料层和固态结构件，得到预制体。其中，铆接结构中纤维体积含量可达到40％以上，同时该铆接结构经过预留孔后均匀铺覆在纤维材料层上，避免出现采用缝合方式连接两个部件时重复在相同方向上叠加，进而导致堆积过厚，影响主体结构增强纤维的铺层及成型后产品的强度的问题。此外，该制备方法简化成型工序，确保了复杂构件的整体成型，极大提高了纤维材料层与固态结构件之间的界面性能。
(2)本发明确定了孔边距与纤维束引出预留孔后铺在纤维材料层表面的长度之间的关系，并通过实际应用需求合理设计纤维束铺放的位置、纤维束的状态、纤维束铺放的厚度等，采用共固化整体成型的方法，在确保成型后得到的共固化成型复合材料的强度的同时，显著提高了固态结构件与纤维材料之间的连接强度。
(3)本发明采用纤维束制备铆接结构，在保证连接强度的同时，还能最大限度地发挥复合材料的减重效果和降低成本的潜力，使其在航空航天领域具有更广阔的应用前景。
(4)本发明提供制备方法具有良好的工艺性和可操作性，极大提高了不同类材料之间连接的可靠性，且采用整体成型提高了生产效率，简化了装配，极大降低生产成本，具有良好的推广应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的一种的共固化成型复合材料的制备方法的流程图；
图2为本发明提供的一种设有单通孔的固态结构件的俯视图示意图；
图3为本发明提供的一种共固化成型复合材料的截面示意图；
图4为本发明提供的一种铆接结构在纤维材料层表面的分布示意图；
图5为本发明提供的一种共固化成型复合材料的截面示意图；
图6为本发明提供的一种铆接结构在纤维材料层表面的分布示意图；
图7为本发明提供的一种铆接结构在纤维材料层表面的分布示意图；
图8为本发明提供的一种共固化成型复合材料的截面示意图；
图9为本发明提供的一种设有通孔和盲孔的固态结构件的俯视图示意图；
图10为本发明提供的对应图9的固态结构件的仰视图示意图；
图11为本发明提供的一种铆接结构在一侧纤维材料层表面的分布示意图；
图12为本发明提供的对应图11的铆接结构在另一侧纤维材料层表面的分布示意图；
其中，固态结构件：201，预留孔：2011，纤维材料层：202，铆接结构：203。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种共固化成型复合材料的制备方法，如图1所示，该制备方法包括：
步骤100：对固态结构件进行钻孔处理，得到至少一个预留孔；其中，预留孔为通孔或盲孔；
步骤102：在包括至少一个预留孔的固态结构件上铺覆纤维材料层，并根据预留孔和纤维束制备用于连接固态结构件和纤维材料层的铆接结构，以得到预制体；
步骤104：采用液体成型工艺或预浸料模压成型工艺对预制体进行成型处理，得到共固化成型复合材料。
根据一些优选的实施方式，铆接结构由纤维束制成。
在本发明中，铆接结构由纤维束制成，而不是采用传统的铆钉或螺钉连接，避免采用铆接或螺接连接方式对复合材料构件的结构造成破坏，增加重量的同时，还导致其性能也低于整体成型的复合材料结构。
需要说明的是，本发明对纤维材料层、纤维束采用的纤维种类无特殊要求，本领域技术人员均可根据实际需求选择适合的纤维材料。
根据一些优选的实施方式，固态结构件为金属构件或复合板材构件。
具体地，固态结构件即已成型的可用作基材的任一材料构件，区别于纤维材料层。其中，金属构件包括但不限于以铝及铝合金基材、钢板基材、不锈钢基材、铜基材等加工制得的板材；复合板材构件包括但不限于金属复合板及高分子材料制备的复合板(如热固性复合材料板)等。
根据一些优选的实施方式，制备方法还包括：
对固态结构件的表面进行预处理，以使该表面粗糙。
根据一些更优选的实施方式，预处理为喷砂或打磨。
在本发明中，通过对固态结构件进行粗糙化处理，能够使固态结构件增大表面积以及发生物理啮合或化学连接等作用，从而在固化成型后，进一步提高固态结构件和纤维材料层之间的界面性能，增强连接强度。
根据一些优选的实施方式，当预留孔的个数为一个时，预留孔位于固态结构件的中心位置。
根据一些优选的实施方式，纤维材料层为预浸料或干态织物。
根据一些优选的实施方式，纤维束由浸胶纤维线或干态纤维线组成。
在本发明中，干态织物选自纤维布中的任一种，纤维布选自单向碳布、平纹碳布或缎纹碳布中的任一种；干态纤维线选自碳纤维、凯夫拉丝束中的任一种；预浸料选自碳纤维中的任一种；浸胶纤维线选自碳纤维、凯夫拉纤维中的任一种；其中，预浸料所用树脂可根据实际应用需求进行选择。
根据一些更优选的实施方式，纤维材料层为碳纤维层。
根据一些更优选的实施方式，纤维束为碳纤维。
在本发明中，优选纤维材料层、纤维束均为碳纤维，碳纤维具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的密度小，因此比强度和比模量高。且相较于常用作缝合线的芳纶纤维，碳纤维的刚度好，碳纤维制备得到的铆接结构具有更强的刚度，故能显著提高共固化成型复合材料的界面性能。
根据一些优选的实施方式，预留孔为通孔时，步骤102包括：
在包括通孔的固态结构件的上表面和下表面分别铺覆纤维材料层，将纤维束穿过预留孔和纤维材料层，并铺覆在纤维材料层的表面，再对纤维束进行定型，得到铆接结构。
根据一些优选的实施方式，预留孔为盲孔时，步骤102包括：
在设有盲孔的固态结构件的表面铺覆纤维材料层，将纤维束的一端固定在盲孔的底部区域，另一端经盲孔穿过纤维材料层，并铺覆在纤维材料层的表面，再对纤维束进行定型，得到铆接结构。
根据一些优选的实施方式，盲孔为阶梯盲孔，且底部区域的孔径大于上端区域的孔径。
在本发明中，将盲孔设置为阶梯孔，且底部区域的孔径大于上端区域的孔径，当将纤维束的一端固定在盲孔的底部区域时，能够形成倒钩结构，从而进一步提高纤维束在固态结构件盲孔中的连接强度，增强该铆接结构的可靠性。
需要说明的是，纤维材料层为至少一层，例如，可以为2层、3层、6层、10层等。具体地，本领域技术人员可以根据对共固化成型复合材料的要求来进行设计。
根据一些优选的实施方式，在步骤102中，铺覆在纤维材料层的表面，包括：
纤维束以预留孔为圆心，按照等分圆的方式逐束分布在纤维材料层的表面；其中，纤维束由若干束子纤维束组成。
需要说明的是，铺覆在纤维材料层的表面的纤维束还可以以预留孔为圆心，逐束排列分布在纤维材料层的表面以避免出现叠加排列。
根据一些更优选的实施方式，子纤维束的厚度小于共固化成型复合材料的厚度的1/5。
根据一些优选的实施方式，当预留孔的个数为至少两个时，L0＞2l；其中，L0为孔边距，l为纤维束经预留孔铺在纤维材料层表面的长度。
根据一些更优选的实施方式，l大于对应共固化成型复合材料的厚度。
在本发明中，通过限定设置有多个预留孔时的孔间距与l之间的关系，可以避免由相邻预留孔引出的铺覆在纤维材料层表面的纤维束出现搭接、重叠的现象，从而在确保l长度的同时，保证所制备的共固化成型复合材料内部结构的平整。通过设定l大于对应共固化成型复合材料的厚度，来确保该铆接结构的加固作用，避免l过短时铆接结构的加固作用弱甚至无作用的情况。同样，由于铺覆在纤维材料层表面的子纤维束的厚度可能会影响共固化成型复合材料的整体厚度，因此需要对该子纤维束的厚度进行限定。当子纤维束厚度满足小于共固化成型复合材料的厚度的1/5时，可不予考虑子纤维束厚度带来的整体厚度影响。但针对有特别要求的共固化成型复合材料，则需考虑子纤维束的厚度，根据力学计算，对应删减纤维材料层的厚度，或者从纤维材料层中抽出对应该子纤维束位置的原本的纤维，用等长度的子纤维束替换，如此也可以在保证共固化成型复合材料的整体厚度。
在一个优选的实施方式中，预留孔为通孔时，步骤102包括：在固态结构件的上表面和下表面分别铺覆纤维材料层，将纤维束穿过预留孔和纤维材料层，由于纤维束由若干束子纤维束组成，如此纤维束以通孔为圆心，按照等分圆的方式逐束(即子纤维束)分布在纤维材料层的表面，再对纤维束进行定型，得到由若干个工字型组成的铆接结构。
在一个优选的实施方式中，预留孔为盲孔时，步骤102包括：在固态结构件设有盲孔的表面上铺覆纤维材料层，将纤维束的一端固定在盲孔的底部区域，另一端经盲孔穿过纤维材料层，由于纤维束由若干束子纤维束组成，如此纤维束以盲孔为圆心，按照等分圆的方式逐束(即子纤维束)分布在纤维材料层的表面，再对纤维束进行定型，得到铆接结构。
需要说明的是，将纤维束的一端固定在盲孔的底部，可以采用但不限于注胶固化的方式。而且，针对盲孔，需要在铺覆纤维材料层前，将纤维束的一端固定在盲孔的底部。对纤维束进行定型，对于干态纤维线，可以采用喷涂定型剂、迁移法或粉末定型法。可以通过采用样板确定铺覆纤维材料层后的固态结构件的预留孔的孔位。
具体地，预留孔为通孔时，铆接结构在纤维材料层表面的分布示意图可以如图4、6、7所示。也就是说，铆接结构在纤维材料层表面可以形成以l为半径的圆面或半圆面等。
在本发明中，纤维束能填充满预留孔的位置，剩余部分缝隙则可以通过成型处理过程中的注胶进行进一步的填充。铆接结构中纤维体积含量可达到40％以上，同时该铆接结构经过预留孔后分束均匀铺覆在纤维材料层上，避免出现采用缝合方式连接两个部件时重复在相同方向上叠加，进而导致堆积过厚，影响主体结构增强纤维的铺层及成型后产品的强度的问题。
根据一些优选的实施方式，步骤102包括：
根据共固化成型复合材料的厚度，确定纤维材料层的铺覆层数；
在包括至少一个预留孔的固态结构件上每铺覆至少一层纤维材料层，制备铆接结构，直至达到铺覆层数。
根据一些优选的实施方式，步骤102包括：
根据共固化成型复合材料的厚度，确定纤维材料层的铺覆层数；
在包括至少一个预留孔的固态结构件上铺覆纤维材料层，在达到铺覆层数后，制备铆接结构。
在本发明中，在铺层过程中制备直到预制体铺覆结束，每铺覆一层纤维材料层或铺覆数层后或在完全铺覆完成后均可制备铆接结构。例如，纤维束有16束子纤维束，固态结构件的上表面和下表面均铺覆有5层纤维材料层，可以在上、下表面每铺覆一层纤维材料层时，均穿出2束子纤维束用于制备铆接结构，并在上、下表面铺覆第五层纤维材料层时，穿出8束子纤维束用于制备铆接结构(如图6所示)。也就是说，在这种情况下，不同层的铆接结构的子纤维束穿过的纤维材料层的层数不同，对于整个共固化成型复合材料而言，有2束子纤维穿过2层纤维材料层，2束穿过4层，2束穿过6层，2束穿过8层，8束穿过10层。
更具体地，接前例所述，每一层纤维材料层表面的子纤维束的铺覆方向，可以相同，也可以不同，本领域技术人员可以根据共固化成型复合材料的设计要求、应用场景等具体设计。
在本发明中，例如，纤维束有16束子纤维束，固态结构件的上表面和下表面均铺覆有5层纤维材料层，可以在全部铺覆完该10层纤维材料层后，将该16束子纤维束从预留孔中引出，按照等分圆的方式逐束分布在纤维材料层的表面，形成圆面，即相邻纤维束之间的夹角为22.5°(如图4所示)；也可以根据共固化成型复合材料的应用场景，按照等分圆的方式逐束分布在纤维材料层的表面，形成半圆面，即相邻纤维束之间的夹角为12°。也就是说，在这种情况下，对于整个共固化成型复合材料而言，16束子纤维束均穿过10层纤维材。
根据一些优选的实施方式，步骤102中，在制备铆接结构之后，得到预制体之前，还包括：在最外层的纤维材料层上再铺覆一层纤维材料层，以将铆接结构覆盖在预制体的内部。
在本发明中，在制备好铆接结构后，在最外侧铺覆一层纤维材料层，将类铆接结构铺盖在内部，避免铆接结构裸露在外而易被破坏。并在铺覆完该层纤维材料层后，所制备的共固化成型复合材料才能达到预期目标厚度。
根据一些更优选的实施方式，采用液体成型工艺对预制体进行成型处理；液体成型工艺包括树脂传递模塑工艺、真空辅助成型工艺。
在本发明中，液态成型工艺选自树脂传递模塑工艺、真空辅助成型工艺、真空辅助树脂传递模塑工艺、真空灌注工艺、热膨胀树脂传递模塑工艺、橡胶辅助树脂传递模塑工艺、轻质树脂传递模塑工艺、希曼树脂注射模塑成型工艺、共注射树脂传递模塑工艺、树脂膜注射成型工艺中的任一种。
具体地，以树脂传递模塑工艺(RTM)为例，得到预制体后，将包含铆接结构的预制体放入RTM模具的下模中，然后合上模具的上模。合模后进行密封，再注入树脂，使树脂浸润预制体。然后经过固化成型、脱模，得到共固化成型复合材料，该共固化成型复合材料中的固态结构件和纤维材料层一体成型。
本发明还提供了采用上述制备方法制备得到的共固化成型复合材料。
为了更加清楚地说明本发明的技术方案及优点，下面通过几个实施例对一种共固化成型复合材料及其制备方法进行详细说明。
实施例1
制备厚度为5mm的共固化成型复合材料，固态结构件201(厚度为1mm，为铝板)，固态结构件201的上表面和下表面的纤维材料层202的厚度为2mm，纤维材料层202的尺寸均为50mm*50mm。
(1)如图2所示，在固态结构件201的中心位置进行钻孔处理，得到一个通孔2011(直径为2mm)，并对该固态结构件201的表面进行喷砂；
(2)如图3所示，在固态结构件201的上表面铺覆9层平纹碳纤维织物(每层平纹碳纤维织物的厚度为0.2mm)，下表面铺覆9层平纹碳纤维织物；然后将纤维束(T300-3K纤维丝束，共计16束子纤维束，每一子纤维束有3000根单丝，单丝的纤维直径为7*10-3mm)穿过通孔和上下表面的共计18层平纹碳纤维织物，再以通孔为圆心，按照等分圆的方式逐束(即子纤维束)弯折铺覆分布在最外侧的平纹碳纤维织物的表面(如图4所示)，l＝15mm，再对纤维束进行定型，得到铆接结构；最后采用第10层平纹碳纤维织物覆盖上下表面的该铆接结构，得到预制体；
其中，该铆接结构中纤维体积含量为58.5％；
(3)安装金属阳模、金属阴模，将预制体放置于模具中，采用VARTM成型工艺(真空辅助树脂传递模塑工艺)，将树脂浸润制备的预制体，固化后依次拆去金属阳模及金属阴模，得到具有高纤维体积含量轻质高强的碳纤维铆接结构的共固化成型复合材料。
实施例2
实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：
(2)如图5所示，在固态结构件201的上表面铺覆3层平纹碳纤维织物(每层平纹碳纤维织物的厚度为0.2mm)，下表面铺覆3层平纹碳纤维织物；然后将纤维束(T300-3K纤维丝束，共计16束子纤维束，每一子纤维束有3000根单丝，单丝的纤维直径为7*10-3mm)穿过通孔和上下表面的共计6层平纹碳纤维织物，再以通孔为圆心，取4束子纤维束按照等分圆的方式逐束(即子纤维束)弯折铺覆分布在第3层(从固态结构件往两侧数)平纹碳纤维织物的表面，l＝15mm，再对纤维束进行定型，得到第一铆接结构；
然后继续在第一铆接结构的上表面铺覆3层平纹碳纤维织物，下表面铺覆3层平纹碳纤维织物；然后将剩余12束子纤维束穿过本次铺覆的6层平纹碳纤维织物，再以通孔为圆心，取4束子纤维束按照等分圆的方式逐束弯折铺覆分布在第6层(从固态结构件往两侧数)平纹碳纤维织物的表面，l＝15mm，再对纤维束进行定型，得到第二铆接结构；
然后继续在第二铆接结构的上表面铺覆3层平纹碳纤维织物，下表面铺覆3层平纹碳纤维织物；然后将剩余8束子纤维束穿过本次铺覆的6层平纹碳纤维织物，再以通孔为圆心，取8束子纤维束按照等分圆的方式逐束弯折铺覆分布在第9层(从固态结构件往两侧数)平纹碳纤维织物的表面(如图6所示)，l＝15mm，再对纤维束进行定型，得到第三铆接结构；
最后采用第10层平纹碳纤维织物覆盖上下表面的第三铆接结构，得到预制体；其中，该铆接结构中纤维体积含量为58.5％。
实施例3
实施例3与实施例2基本相同，其不同之处在于：
第三铆接结构在平纹碳纤维织物的表面的结构示意图如图7所示。
实施例4
制备厚度为5mm的共固化成型复合材料，固态结构件201(厚度为3mm，为铝板)，纤维材料层202的厚度为2mm，固态结构件201和纤维材料层202的尺寸均为50mm*50mm。
(1)如图8所示，在固态结构件201的中心位置进行钻孔处理，得到一个盲孔2011(上端区域的直径为2mm)，并对该固态结构件201的表面进行喷砂；
(2)如图8所示，在固态结构件201的上表面铺覆9层平纹碳纤维织物(每层平纹碳纤维织物的厚度为0.2mm)，下表面铺覆9层平纹碳纤维织物；然后将纤维束(T300-3K纤维丝束，共计16束子纤维束，每一子纤维束有3000根单丝，单丝的纤维直径为7*10-3mm)的一端固定在盲孔的底部区域，另一端由盲孔引出穿过9层平纹碳纤维织物，再以盲孔为圆心，按照等分圆的方式逐束(即子纤维束)弯折铺覆分布在第9层平纹碳纤维织物的表面(如图4所示)，l＝15mm，再对纤维束进行定型，得到铆接结构；最后采用第10层平纹碳纤维织物覆盖该铆接结构的表面，得到预制体；
其中，该铆接结构中纤维体积含量为58.5％；
(3)安装金属阳模、金属阴模，将预制体放置于模具中，采用VARTM成型工艺(真空辅助树脂传递模塑工艺)，将树脂浸润制备的预制体，固化后依次拆去金属阳模及金属阴模，得到具有高纤维体积含量轻质高强的碳纤维铆接结构的共固化成型复合材料。
实施例5
制备厚度为5mm的共固化成型复合材料，固态结构件201(厚度为1mm，碳纤维复合材料板材)，固态结构件201的上表面和下表面的纤维材料层202的厚度为2mm，固态结构件201和纤维材料层202的尺寸均为50mm*50mm。
(1)如图9和10所示，在固态结构件201的中心位置进行钻孔处理，得到4个预留孔2011，其中2个通孔(直径为2mm)和2个盲孔(上端区域的直径为2mm)，并采用60目的砂纸对该固态结构件201的表面进行打磨；
(2)如图11和12所示，在固态结构件201的上表面铺覆9层平纹碳纤维织物(每层平纹碳纤维织物的厚度为0.2mm)，下表面铺覆9层平纹碳纤维织物；
针对通孔，制备铆接结构的步骤包括：将纤维束(T300-3K纤维丝束，共计16束子纤维束，每一子纤维束有3000根单丝，单丝的纤维直径为7*10-3mm)穿过通孔和上下表面的共计18层平纹碳纤维织物，再以通孔为圆心，按照等分圆的方式逐束(即子纤维束)弯折铺覆分布在最外侧的平纹碳纤维织物的表面，l＝10mm，再对纤维束进行定型，得到铆接结构；
针对盲孔，制备铆接结构的步骤包括：将纤维束(T300-3K纤维丝束，共计16束子纤维束，每一子纤维束有3000根单丝，单丝的纤维直径为7*10-3mm)的一端固定在盲孔的底部区域，另一端由盲孔引出穿过9层平纹碳纤维织物，再以盲孔为圆心，按照等分圆的方式逐束(即子纤维束)弯折铺覆分布在第9层平纹碳纤维织物的表面，l＝10mm，再对纤维束进行定型，得到铆接结构；
最后采用第10层平纹碳纤维织物覆盖上下表面的铆接结构，得到预制体；其中，该铆接结构中纤维体积含量为58.5％；
(3)安装金属阳模、金属阴模，将预制体放置于模具中，采用VARTM成型工艺(真空辅助树脂传递模塑工艺)，将树脂浸润制备的预制体，固化后依次拆去金属阳模及金属阴模，得到具有高纤维体积含量轻质高强的碳纤维铆接结构的共固化成型复合材料。
实施例6
实施例6与实施例5基本相同，其不同之处在于：
2个盲孔分别设在固态结构件201的两侧。
需要说明的是，图3、图5和图8是以预留孔圆心所在的面为切面，得到的截面图示意图。图3、图5和图8中均未示出铺覆在铆接结构上的一层纤维材料层，且图中并未示出完整的固态结构件，即固态结构件的长度或宽度大于2l。
需要说明的是，实施例2中的纤维束定型，可以如实施例2所示进行分层定型，即进行3次纤维束定型；可以在得到全部铆接结构后，最后进行一次纤维束定型。其中，根据共固化成型复合材料的应用和需求来确定纤维束定型方式。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
Claims (16)
1.一种共固化成型复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
对固态结构件进行钻孔处理，得到至少一个预留孔；其中，所述预留孔为通孔或盲孔；
在包括所述至少一个预留孔的固态结构件上铺覆纤维材料层，并根据所述预留孔和纤维束制备用于连接所述固态结构件和所述纤维材料层的铆接结构，以得到预制体，包括：
所述预留孔为通孔时，在包括所述通孔的固态结构件的上表面和下表面分别铺覆纤维材料层，将所述纤维束穿过所述预留孔和所述纤维材料层，并铺覆在所述纤维材料层的表面，再对所述纤维束进行定型，得到所述铆接结构；
所述预留孔为盲孔时，在设有所述盲孔的固态结构件的表面铺覆纤维材料层，将所述纤维束的一端固定在所述盲孔的底部区域，另一端经所述盲孔穿过所述纤维材料层，并铺覆在所述纤维材料层的表面，再对所述纤维束进行定型，得到所述铆接结构；
其中，所述铺覆在所述纤维材料层的表面，包括：所述纤维束以所述预留孔为圆心，按照等分圆的方式逐束分布在所述纤维材料层的表面；其中，所述纤维束由若干束子纤维束组成；
采用液体成型工艺或预浸料模压成型工艺对所述预制体进行成型处理，得到所述共固化成型复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述固态结构件为金属构件或复合板材构件；
所述盲孔为阶梯盲孔，且底部区域的孔径大于上端区域的孔径。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括：
对所述固态结构件的表面进行预处理，以使该表面粗糙；所述预处理为喷砂或打磨。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
当所述预留孔的个数为一个时，所述预留孔位于所述固态结构件的中心位置。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述铆接结构由所述纤维束制成。
6.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于：
所述纤维材料层为预浸料或干态织物。
7.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于：
所述纤维材料层为碳纤维层。
8.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于：
所述纤维束由浸胶纤维线或干态纤维线组成。
9.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于：
所述纤维束为碳纤维。
10.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于：
所述子纤维束的厚度小于所述共固化成型复合材料的厚度的1/5。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
当所述预留孔的个数为至少两个时，L 0＞2l；其中，L 0为孔边距，l为所述纤维束经所述预留孔铺在所述纤维材料层表面的长度。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于：
l大于对应所述共固化成型复合材料的厚度。
13.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述在包括所述至少一个预留孔的固态结构件上铺覆纤维材料层，并根据所述预留孔和纤维束制备用于连接所述固态结构件和所述纤维材料层的铆接结构，包括：
根据所述共固化成型复合材料的厚度，确定所述纤维材料层的铺覆层数；
在包括所述至少一个预留孔的固态结构件上每铺覆至少一层纤维材料层，制备铆接结构，直至达到所述铺覆层数；
或，
根据所述共固化成型复合材料的厚度，确定所述纤维材料层的铺覆层数；
在包括所述至少一个预留孔的固态结构件上铺覆纤维材料层，在达到所述铺覆层数后，制备所述铆接结构。
14.根据权利要求1至13中任一所述的制备方法，其特征在于：
在制备所述铆接结构之后，得到所述预制体之前，还包括：在最外层的纤维材料层上再铺覆一层纤维材料层，以将所述铆接结构覆盖在所述预制体的内部。
15.根据权利要求1至13中任一所述的制备方法，其特征在于：
采用所述液体成型工艺对所述预制体进行成型处理；所述液体成型工艺包括树脂传递模塑工艺、真空辅助成型工艺。
16.一种共固化成型复合材料，其特征在于，采用权利要求1至15中任一所述的制备方法制备得到。
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