碳纤维复合材料曲壁蜂窝结构的力学性能强化方法研究

The program focuses on strengthening mechanical properties of lightweight composite honeycomb structures with topology strengthening design and interface processing manufacture. The optimization design, manufacture technology, mechanical properties and water pressure resistance of carbon fiber composite curved honeycombs are researched to satisfy the urgent need of lightweight and high-strength buoyancy structure for deep-sea vehicle. Firstly, lightweight composite honeycomb structures are easy to buckling in compression load, which cause low out-of-plane compressive strength. To solve this problem, the mechanical properties of carbon fiber composite honeycomb structures are enhanced with topology method of curved wall and high quality manufacture technics of honeycombs. In addition, Interface debonding of composite honeycomb structures is the main failure mode in shear load, which lead to the low shear strength. The good methods improving the interface bonding strength of composite honeycomb structures are composite surface treatment process. Moreover, the deformation mechanism and failure mode of composite honeycomb structures are researched through experiments and numerical analysis. The strengthening mechanism of curved wall topology and honeycomb interface treatment process are revealed. At last, The cooperative design of displacement between faceplates and core of honeycomb structure is carried out to reduce the influence of stress concentration at the contact area of the faceplates and core on the water pressure resistance of composite honeycomb structures. This study provides theoretical basis and technical support for the application of advanced composite lightweight sandwich structure in the field of deep-sea equipment.

本项目旨在通过拓扑强化设计方法和面芯界面处理方法研究，强化超轻复合材料蜂窝结构的力学性能，并对其开展结构优化设计、制备工艺、力学性能和耐水压性表征等研究工作，以满足深海潜器对轻质高强浮力结构的迫切需求。首先，基于蜂窝曲壁拓扑强化方法，结合小单胞波纹板模压工艺和波纹板叠层固化工艺研究，设计并制备碳纤维复合材料曲壁蜂窝结构，解决现有蜂窝结构易产生弹性屈曲失效而导致平压强度不高的问题。其次，基于曲壁拓扑设计方法和面芯界面处理方法研究，解决复合材料蜂窝结构易产生界面脱粘失效而导致剪切强度较低的问题。然后，通过数值分析和实验验证的手段，研究复合材料曲壁蜂窝结构的变形机制与失效模式，揭示曲壁拓扑结构和面芯界面处理强化机理。最后，开展蜂窝结构面芯变形协同设计，减轻面芯接触处应力集中现象对蜂窝结构耐水压性能的影响，为将先进的复合材料轻质高强结构应用于深海装备领域提供理论基础和技术支撑。

复合材料蜂窝（铝蜂窝、芳纶蜂窝和碳蜂窝等）夹芯结构是一种轻质高承载结构，在工程上已经有了比较长的应用时间和案例。尽管，碳纤维树脂复合材料具有优异的力学性能和良好的化学稳定性，但是碳纤维蜂窝相比于其他蜂窝材料却没有显现出很大的优势，并且成本居高不下，难以在工程领域进行批量化运用。此外，目前复合材料蜂窝的多功能化开发还未完善，极大限制了其在工程领域应用的范围，例如水下无人探测、空间观测和舰船隐身等。.基于此，本课题组提出了曲壁蜂窝拓扑强化方法，用来解决现有的蜂窝壁易于发生屈曲失效，承载能力不高的问题。首先研究该结构面外压缩和静水压缩性能，实验结果表明在低密度区域为铝蜂窝结构强度的2-3倍左右；在密度较高区域，是铝蜂窝结构强度的4倍左右。在耐水压实验中同样表现出色，是同等密度玻璃微珠浮力材料的6倍左右。为了增强蜂窝夹芯结构中粘接界面的性能，本课题组使用了表面微纹印刷技术。实验结果表明，碳纤维蜂窝结构在低密度时，在L和W方向的剪切强度均高于Hexcel公司（国际顶尖蜂窝制造商）。此外，表面微纹印刷技术处理试件的方法对结构弯曲性能也有很大提高，其载荷可以达到脱模剂制备试件的150%以上。.为了进一步提高碳纤维蜂窝在水下的应用深度，本课题组设计并制备了碳纤维多孔浮力材料，由碳纤维圆管交错堆叠而成，环氧树脂作为填充相。其作为浮力材料应用于水下航行器中，可以大幅减轻水下航行器结构的重量与体积，使得水下航行器可以搭载更多有效载荷。此外为了进一步降低碳纤维蜂窝的密度，提高其在航天探测中的使用比例，本课题组通过膨胀工艺制备了超轻碳纤维蜂窝，密度最低达到14 kg/m3，同等密度（22 kg/m3）情况下，强度提升50%以上。最后，针对复合材料蜂窝进行了多功能开发，设计并制备了石英纤维曲壁蜂窝结构和宽频吸波多级格栅结构。结构实现了极佳的机械性能和宽带吸收性能，结构内梯度排列的电阻值通过构造多阶驻波模式实现了宽带吸收。