本技術(shù)涉及復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其是涉及一種纖維螺旋鋪排的仿生帶孔復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、復(fù)合材料連接處是結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，研究表明，60%~80%的復(fù)合材料破壞發(fā)生于連接處。在航空航天工業(yè)中，螺栓連接在大多數(shù)應(yīng)用中仍然是主要的連接方式。然而，由于應(yīng)力集中，開(kāi)孔處很可能成為損傷起始和破壞的位置。圓形直孔結(jié)構(gòu)孔邊受螺栓擠壓程度加劇，其應(yīng)力集中位置主要分布在孔邊上下側(cè)。

2、傳統(tǒng)的方法常通過(guò)在連接孔中預(yù)埋金屬套筒或嵌裝螺母來(lái)增強(qiáng)螺栓連接的強(qiáng)度和剛度或者在局部采用加強(qiáng)的玄武巖復(fù)合材料或者通過(guò)凸臺(tái)增強(qiáng)，這些設(shè)計(jì)通過(guò)改變了孔邊的應(yīng)力分布能有效提高連接的承載能力，但需要注意的是，這些增強(qiáng)方法會(huì)增加結(jié)構(gòu)重量。

3、此外，傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料螺栓孔中的鋪層角度單一，主要破壞形式包括板的擠壓破壞，拉伸破壞和剪切破壞；裂紋損傷易于在層間傳遞，損傷形式單一造成復(fù)合材料的提前失效以及層間韌性不足。因此，現(xiàn)有的復(fù)合材料螺栓孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有待于進(jìn)一步的改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了改善傳統(tǒng)復(fù)合材料螺栓孔洞鋪層角度單一、強(qiáng)度低、破壞早的問(wèn)題，本技術(shù)提供一種纖維螺旋鋪排的仿生帶孔復(fù)合材料及其制備方法。

2、本技術(shù)的發(fā)明構(gòu)思如下：

3、傳統(tǒng)的復(fù)合材料圓形通孔螺栓連接（如圖1所示）的主要破壞形式包括板的擠壓破壞、拉伸破壞和剪切破壞。在承受拉伸載荷時(shí)，0°鋪層的纖維方向與受力方向一致，孔邊上下側(cè)載荷分配較大，導(dǎo)致應(yīng)力較大，90°鋪層的纖維方向與加載方向垂直，上下孔邊主要受到螺栓在垂直纖維方向上的壓縮作用，導(dǎo)致應(yīng)力集中。此外傳統(tǒng)的復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)鋪層角度單一，裂紋損傷易于在層間傳遞，損傷形式單一造成復(fù)合材料的提前失效以及層間韌性不足。因此傳統(tǒng)復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的延遲破壞的表現(xiàn)進(jìn)入瓶頸期，單孔結(jié)構(gòu)以及鋪層方式單一的問(wèn)題急需解決，亟需尋求新型螺栓單孔以及鋪排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案以改善其綜合力學(xué)表現(xiàn)。

4、美洲龍蝦表皮作為一種生物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，是研究分級(jí)組織纖維基生物復(fù)合材料力學(xué)性能的理想模型材料。其層次結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)突出設(shè)計(jì)是扭曲的膠合板結(jié)構(gòu)，它由平行排列的甲殼類(lèi)蛋白纖維的平面疊加并逐漸旋轉(zhuǎn)而成，稱(chēng)之為螺旋結(jié)構(gòu)。其外還有一個(gè)突出設(shè)計(jì)是其蜂窩狀結(jié)構(gòu)，有發(fā)育良好的孔道系統(tǒng)產(chǎn)生，扭曲的橢圓孔孔道垂直并穿透表皮，形成橢圓螺旋通孔纖維結(jié)構(gòu)。當(dāng)角質(zhì)層橫向加載時(shí)，孔道在橫向方向上被壓縮和加寬，在伸長(zhǎng)過(guò)程中，由于孔洞的旋轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致纖維螺旋通孔結(jié)構(gòu)傾斜部分會(huì)沿著拉伸方向排列，所描述的機(jī)制表明了增韌效應(yīng)的發(fā)生，如裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋接。目前的宏觀力學(xué)性能表明，扭曲膠合板和橢圓通孔結(jié)構(gòu)的結(jié)合使材料具有更好的力學(xué)性能且重量更輕。

5、受自然界美洲龍蝦表皮中的橢圓螺旋通孔纖維結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，為了解決傳統(tǒng)合材料螺栓結(jié)構(gòu)單孔結(jié)構(gòu)以及鋪層方式單一，在受到拉伸載荷時(shí)應(yīng)力集中范圍局限、裂紋損傷易于在層間傳遞、損傷形式單一等問(wèn)題，本技術(shù)提供了一種纖維螺旋鋪排的仿生帶孔復(fù)合材料，采用如下的技術(shù)方案：

6、一種纖維螺旋鋪排的仿生帶孔復(fù)合材料，包括若干纖維鋪層組，每個(gè)所述纖維鋪層組包括若干纖維層，若干所述纖維鋪層組沿鋪層方向呈周期性螺旋鋪排；每個(gè)所述纖維層沿自身厚度方向貫穿開(kāi)設(shè)有橢圓孔，所有纖維層的橢圓孔共軸心，多個(gè)所述橢圓孔沿纖維層的厚度方向呈周期性螺旋鋪排形成圓形通孔，所述圓形通孔的孔徑與所述橢圓孔的短軸長(zhǎng)度一致。

7、本技術(shù)將橢圓孔結(jié)構(gòu)和螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合對(duì)復(fù)合材料連接孔進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，將若干帶有橢圓孔的纖維層通過(guò)周期性螺旋鋪排得到圓形通孔，圓形通孔能夠作為連接孔供螺栓穿過(guò)，實(shí)現(xiàn)兩塊復(fù)合材料之間的螺栓連接。相比于傳統(tǒng)的復(fù)合材料單孔結(jié)構(gòu)，本技術(shù)能夠顯著降低應(yīng)力集中現(xiàn)象，分散結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中位置。

8、進(jìn)一步地，所述纖維層包括多根單向排列的纖維。

9、進(jìn)一步地，每個(gè)所述纖維層中，所述橢圓孔的長(zhǎng)軸方向與纖維方向一致。

10、由于纖維能夠有效承受拉伸和壓縮載荷，纖維方向通常是復(fù)合材料中強(qiáng)度和剛度最高的方向。當(dāng)橢圓孔的長(zhǎng)軸方向與纖維方向一致時(shí)，纖維能夠更好地傳遞載荷，這種優(yōu)化后的載荷傳遞路徑能夠顯著減少應(yīng)力集中。

11、此外，當(dāng)橢圓孔的長(zhǎng)軸方向與纖維方向一致時(shí)，裂紋更容易沿著纖維方向擴(kuò)展，而纖維的高強(qiáng)度和韌性能夠有效阻止裂紋的擴(kuò)展，減小橢圓孔的變形，從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力。如果橢圓孔的長(zhǎng)軸方向與纖維方向不一致，橢圓孔周?chē)淖冃螘?huì)更明顯，結(jié)構(gòu)的承載能力會(huì)降低。

12、進(jìn)一步地，所述橢圓孔的長(zhǎng)軸與短軸的長(zhǎng)度比為8：6-15：6。

13、橢圓孔長(zhǎng)軸與短軸的長(zhǎng)度比變化會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中系數(shù)變化，影響材料的屈服和疲勞強(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)影響圓形通孔的變形以及載荷傳遞的路徑，改變螺栓與孔壁之間的接觸應(yīng)力分布。此外，在圓形通孔尺寸相同的情況下，長(zhǎng)軸與短軸的長(zhǎng)度比越大，越有利于減輕復(fù)合材料板的重量。因此應(yīng)基于以上依據(jù)合理設(shè)計(jì)長(zhǎng)軸與短軸的長(zhǎng)度比。

14、進(jìn)一步地，相鄰所述纖維鋪層組間具有周期性變化的螺旋轉(zhuǎn)角，所述螺旋轉(zhuǎn)角為0°-90°。

15、進(jìn)一步地，若干所述纖維鋪層組的螺旋周期為180°的整數(shù)倍。

16、由于相鄰纖維鋪層的鋪層角度差異，當(dāng)復(fù)合材料受到外界拉伸載荷時(shí)，通孔結(jié)構(gòu)傾斜部分會(huì)沿著拉伸方向排列，造成不同角度鋪層在不同載荷作用下應(yīng)力分布不同，導(dǎo)致疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)分布不同，能夠有效分散應(yīng)力集中的位置，并且降低最大應(yīng)力值。

17、進(jìn)一步地，同一所述纖維鋪層組中各個(gè)所述纖維層間具有預(yù)設(shè)角度差異，所述預(yù)設(shè)角度差異為0°-90°。

18、由于同一纖維鋪層組內(nèi)纖維層間的鋪層角度差異，在受到外界的載荷時(shí)，螺旋纖維層間的旋轉(zhuǎn)，纖維層內(nèi)的滑移、纖維橋接以及纖維拉伸能有效阻止裂紋的擴(kuò)展，延遲結(jié)構(gòu)最終破壞的到來(lái)，從而提高材料的疲勞壽命和承載能力。

19、進(jìn)一步地，所述纖維層中的纖維為碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維中的一種或多種。

20、本技術(shù)還提供一種纖維螺旋鋪排的仿生帶孔復(fù)合材料的制備方法，用于制備一種纖維螺旋鋪排的仿生帶孔復(fù)合材料，制備方法包括以下步驟：

21、裁剪若干單層預(yù)浸料；

22、在單層預(yù)浸料上打橢圓孔，橢圓孔的長(zhǎng)軸方向與單層預(yù)浸料的纖維方向一致，得到具有橢圓孔的單層預(yù)浸料；

23、并將若干具有橢圓孔的單層預(yù)浸料按預(yù)設(shè)角度差異依次鋪覆，得到纖維鋪層組，再將若干纖維鋪層組按預(yù)設(shè)螺旋轉(zhuǎn)角和預(yù)設(shè)螺旋周期依次鋪覆，鋪覆過(guò)程中，保持所有單層預(yù)浸料的橢圓孔共軸心；

24、將鋪覆完成的若干纖維鋪層組熱壓成型，得到纖維螺旋鋪排的仿生帶孔復(fù)合材料。

25、本技術(shù)還提供一種纖維螺旋鋪排的仿生帶孔復(fù)合材料的應(yīng)用，包括：以圓形通孔作為連接孔供螺栓穿過(guò)，實(shí)現(xiàn)兩塊纖維螺旋鋪排的仿生帶孔復(fù)合材料之間的螺栓連接。

26、綜上所述，本技術(shù)包括以下至少一種有益技術(shù)效果：

27、本技術(shù)將橢圓孔結(jié)構(gòu)和螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合對(duì)復(fù)合材料連接孔進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，將若干帶有橢圓孔的纖維層通過(guò)周期性螺旋鋪排得到圓形通孔，相比于傳統(tǒng)的復(fù)合材料單孔結(jié)構(gòu)，本技術(shù)能夠顯著降低應(yīng)力集中現(xiàn)象，分散結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中位置。

28、由于相鄰纖維鋪層的鋪層角度差異，當(dāng)復(fù)合材料受到外界拉伸載荷時(shí)，通孔結(jié)構(gòu)傾斜部分會(huì)沿著拉伸方向排列，造成不同角度鋪層在不同載荷作用下應(yīng)力分布不同，導(dǎo)致疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)分布不同，能夠有效分散應(yīng)力集中的位置，并且降低最大應(yīng)力值。

29、由于同一纖維鋪層組內(nèi)纖維層間的鋪層角度差異，在受到外界的載荷時(shí)，螺旋纖維層間的旋轉(zhuǎn)，纖維層內(nèi)的滑移、纖維橋接以及纖維拉伸能有效阻止裂紋的擴(kuò)展，延遲結(jié)構(gòu)最終破壞的到來(lái)，從而提高材料的疲勞壽命和承載能力，有效改善了傳統(tǒng)復(fù)合材料螺栓孔洞結(jié)構(gòu)的單一、強(qiáng)度低與破壞早的難題，為復(fù)合材料螺栓連接技術(shù)的發(fā)展提供了新思路。

30、本技術(shù)無(wú)需采用復(fù)雜的3d打印技術(shù)，通過(guò)已有的制造工藝即可實(shí)現(xiàn)這種復(fù)合材料單孔結(jié)構(gòu)的加工；通過(guò)調(diào)整橢圓孔的尺寸即可制備不同尺寸的圓形通孔，以適用于不同尺寸螺栓的連接。