【技术领域】
本发明属于复合材料z-pin增强技术领域，尤其涉及一种提高z-pin增强复合材料层间强度效果的方法。
背景技术：
z-pin增强技术是一种能够提高复合材料层间性能的新技术，z-pin能够显著提高复合材料的层间断裂韧性、损伤容限和搭接强度，已被广泛用于各类承力结构的加强。但在实际拉挤成型z-pin过程中发现，易产生大量气孔缺陷，z-pin经过牵引棍时孔隙被撵破，纤维束劈裂散开，随即折断无法作为增强体植入到复合材料预制体中，无法有效实现层间增强作用。另外，目前工业用及科研用的z-pin均为表面较光滑的圆柱形结构，根据sweeting(sweetingrd，thomsonrs.theeffectofthermalmismatchonz-pinnedlaminatedcompositestructures[j].
compositestructure，2004)发表论文表明，表面较光滑的z-pin与层合板之间的界面存在较大的热残余应力，且z-pin与层合板之间光滑的界面，易于裂纹的蔓延。
为了解决这一问题，传统解决方法通过改变新型z-pin凹槽形状，凹槽分布密度，凹槽深度等参数来改变其桥联力，达到提高层合复合材料层间强度的效果。但此种解决方式存在着缺陷，根据kardos(kardosjl,dudukovicmp,daver.voidgrowthandresintransportduringprocessingofthermosettingmatrixcomposites[m].berlin:springer,1986)利用经典成核理论对复合材料热压成形时孔隙形成进行的分析可知，提高树脂等静压强可有效抑制孔隙生长，而新型z-pin的加工工艺并未提高树脂径向压力，拉挤成型z-pin过程中孔隙生长会依然存在。另外，z-pin制备工艺流程过于繁杂，要求对于不同槽形的新型z-pin设计不同的加工模具，前期工装准备时间过长，加工效率低，而且影响增强效果的因素过多，实际运用中很难保证z-pin增强效果的可靠性，也不易对其进行研究预测。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种提高z-pin增强复合材料层间强度效果的方法，使用加捻z-pin构件可以更好的提升复合材料层合构件的层间强度，操作简便，实用性强
本发明采用以下技术方案：一种提高z-pin增强复合材料层间强度效果的方法，包括如下步骤：
步骤一、制备复合材料层合构件预制体(1)，所述复合材料层合构件预制体(1)为层合结构的正方体；在所述复合材料层合构件预制体(1)上选出待加强区域，并在所述待加强区域内确定出待加强植入点；
步骤二、制备加捻z-pin构件(2)，其为条状加捻纤维段；
步骤三、将多个所述步骤二中的加捻z-pin构件(2)分别由对应的各植入点垂直植入所述复合材料层合构件预制体(1)内，得增强强度后的复合材料层合构件预制体；各所述加捻z-pin构件(2)的长度为待加强植入点处的厚度减去所述复合材料层合构件预制体(1)的固化收缩量的值。
进一步的，植入所述待加强植入点的加捻z-pin构件(2)的行/列间距为2mm～10mm。
进一步的，加捻z-pin构件(2)的制备方法为：将无捻z-pin纤维束(3)充分浸润树脂，再在成型模具中拉挤成形，随后对已经浸润树脂的无捻z-pin纤维束(3)进行加捻、固化，得到长条状的加捻纤维束，将所述长条状的加捻纤维束裁剪成所需长度的加捻纤维段，即得所述加捻z-pin构件(2)。
进一步的，无捻z-pin纤维束(3)材料为碳纤维、玻璃纤维或聚酰亚胺纤维，直径为ф0.1mm～ф1mm。
进一步的，步骤一中，确定所述加强植入点的过程为：将所述待加强区域的表面划分为多个小正方形，各所述正方形的中心即为待加强植入点；其中，各所述小正方形的边与所述复合材料层合构件预制体(1)对应的同侧的边相平行。
进一步的，复合材料层合构件预制体(1)由纤维增强树脂基复合材料预浸料铺叠而成。
本发明采用的第二种技术方案是，一种提高z-pin增强复合材料层间强度效果的方法制备的强度增强的复合材料层合构件预制体，包括：
一复合材料层合构件预制体(1)，为一由纤维增强树脂基复合材料预浸料铺叠而成的层合结构的正方体；在所述复合材料层合构件预制体(1)上选定有待加强区；且在所述待加强区内设定有多个待加强植入点；
一加捻z-pin构件(2)，为条状的加捻纤维段，并由各所述待加强植入点垂直植入所述复合材料层合构件预制体(1)内，多个加强植入点内的所述加捻z-pin构件(2)的行/列间距为2mm～10mm。
本发明的有益效果是：1.无捻z-pin纤维束在成型模具中进行拉挤成型之后，后固化工序之前添加加捻工序，保证纤维束在加捻前能够充分浸润树脂，利于获取表面质量较好的加捻z-pin构件。
2.通过对已浸润树脂的未固化的无捻z-pin纤维束加捻，纤维单丝在拉力的作用下向轴心聚拢产生挤压力，若z-pin纤维束中含有气泡，则会在挤压力的作用下排出；若z-pin纤维束中含有较多的树脂，则会在挤压力的作用下挤出多余的树脂。
3.z-pin纤维束表面存在沟壑、并不光滑，挤出的树脂可以填充这些沟壑，从而获得更好的表面质量。
4.z-pin构件和复合材料共固化形成的界面性能直接影响z-pin增强复合材料层间强度效果，而加捻z-pin构件可以提高界面性能，因此可以获得更高的复合材料层间强度。
5.因为最终植入到复合材料层合构件预制体中加捻z-pin构件的长度，是根据复合材料层合构件预制体预先划定的加捻z-pin构件待植入位置处厚度，减去复合材料层合构件预制体固化收缩量而得，所以无需其他额外修剪工序，即可保证加捻z-pin构件不突出复合材料层合构件预制体表面，不仅表面平整，减少了工序，而且避免了植入后再裁剪带来的z-pin歪斜问题。
6.适用范围广泛，实用性强，可以用于不同材质、直径的z-pin纤维束。
【附图说明】
图1为复合材料层合构件预制体及待植入位置分布示意图；
图2为加捻z-pin构件示意图；
图3为加捻z-pin构件制备工艺流程示意图；
图4为理想的加捻纤维束中纤维单丝的空间形态示意图；
图5为未加捻z-pin构件示意图；
图6为验证试验中复合材料层合构件试验件的示意图；
图中，1.复合材料层合构件预制体，2.加捻z.pin构件，3.无捻z.pin纤维束，4.浸胶槽，5.成型模具，6.长条无捻z.pin构件，7.长加捻z.pin构件，8.固化装置，9.纤维单丝，10.未加捻z.pin构件，11.复合材料层合构件试验件。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明利用经典成核理论对复合材料热压成形时孔隙形成进行的分析，得到提高树脂等静压强可有效抑制孔隙生长的结论，发明了一种用于进一步提高聚酰亚胺z-pin增强碳纤维增强树脂基复合材料层合板层间强度效果的方法。
本发明实施例公开了一种提高z-pin增强复合材料层间强度效果的方法，该方法包括如下步骤：
一种提高z-pin增强复合材料层间强度效果的方法，该方法包括如下步骤：步骤一、制备复合材料层合构件预制体1，其为一层合结构的正方体；在复合材料层合构件预制体1上选出待加强区域，并在待加强区域内确定出待加强植入点。多个待加强植入点的行/列间距为2mm～10mm。该复合材料层合构件预制体1由纤维增强树脂基复合材料预浸料铺叠而成。
确定加强植入点的过程如下：将待加强区域的表面划分为多个小正方形，各正方形的中心即为待加强植入点；其中，各小正方形的边与复合材料层合构件预制体1对应的同侧的边相平行。
步骤二、制备加捻z-pin构件2，其为条状加捻纤维段。该加捻z-pin构件2采用如下方法制备：将无捻z-pin纤维束3充分浸润树脂，再在成型模具中拉挤成形，随后对已经浸润树脂的无捻z-pin纤维束3进行加捻，固化，得长条状的加捻纤维束，将长条状的加捻纤维束裁剪成所需长度的加捻纤维段，即得。该无捻z-pin纤维束3材料为碳纤维、玻璃纤维或聚酰亚胺纤维，直径为ф0.1mm～ф1mm。
步骤三、将多个步骤二中的加捻z-pin构件2分别由对应的各植入点垂直植入复合材料层合构件预制体1内，得增强强度后的复合材料层合构件预制体；各加捻z-pin构件2的长度为待加强植入点处的厚度减去复合材料层合构件预制体1的固化收缩量的值。
本发明还公开了上述的一种提高z-pin增强复合材料层间强度效果的方法制备的强度增强的复合材料层合构件预制体，包括：复合材料层合构件预制体1，为一由纤维增强树脂基复合材料预浸料铺叠而成的层合结构的正方体；在复合材料层合构件预制体1上选定有待加强区；且在待加强区内设定有多个待加强植入点。加捻z-pin构件2，为条状的加捻纤维段，并由各待加强植入点垂直植入复合材料层合构件预制体1内，多个加强植入点内的加捻z-pin构件2的行/列间距为2mm～10mm。
实施例1
一种提高z-pin增强复合材料层间强度效果的方法包括如下步骤：
步骤一、使用碳纤维增强树脂基复合材料预浸带制备复合材料层合构件预制体1，并按照3mm行/列间距划定加捻聚酰亚胺纤维z-pin构件2待植入位置。设复合材料层合构件预制体1由4层厚度为t＝0.25mm、长为200mm的正方形单层板复合而成，各层铺设角分别为45°，0°，0°，45°，铺层上下对称铺设。
步骤二、将无捻聚酰亚胺z-pin纤维束3在浸胶槽4中浸润树脂，然后再通过预先设计的成型模具5进行拉挤成型，获得长度较长的无捻z-pin构件6，随后按照80～100捻/米对已经浸润树脂的长无捻z-pin构件6进行加捻，接着将其送入固化装置8进行高温加压固化、最后裁剪获得长度为1m的长条状的加捻纤维束，剪裁得加捻纤维z-pin构件2，为聚酰亚胺材质。如图3所示。
步骤三、根据碳纤维增强树脂基复合材料层合构件预制体1预先划定的加捻z-pin构件2待植入位置处厚度，减去碳纤维增强树脂基复合材料层合构件预制体1固化收缩量，获得待植入加捻z-pin构件2的长度，长度为10mm的加捻纤维段；
步骤四、将加捻纤维段按照预先划定的位置植入到复合材料层合构件预制体1中，保证加捻聚酰亚胺纤维z-pin构件2不突出碳纤维增强树脂基复合材料层合构件预制体1表面。
实施例2
为了验证本发明方法能达到提高z-pin增强复合材料层间强度的效果，按照gbt1449-2005纤维增强塑料弯曲性能试验方法的要求，设计了聚酰亚胺z-pin增强碳纤维增强树脂基复合材料层合板层间强度的验证试验，其试验步骤如下：
步骤一、按照使用碳纤维增强树脂基复合材料预浸带制备复合材料层合构件试验件11，其规格为长250mm×宽25mm×厚3.6mm，z-pin待植入区域如图6所示为112.5mm×25mm，并按照2.5mm行/列间距划定z-pin构件待植入位置，将复合材料层合构件试验件11分为三组标号甲，乙，丙三组，每组5个试验件。
步骤二、将无捻聚酰亚胺z-pin纤维束3在浸胶槽4中浸润环氧树脂，然后再通过预先设计的成型模具5进行拉挤成型，获得长度较长的无捻z-pin构件6，随后按照80捻/米对已经浸润环氧树脂的一部分长无捻z-pin构件6进行加捻操作，接着将其送入固化装置8进行高温加压固化、最后裁剪获得长度为1m的长加捻z-pin构件7；
步骤三、根据碳纤维增强树脂基复合材料层合构件试验件11预先划定的z-pin构件待植入位置处厚度，减去碳纤维增强树脂基复合材料层合构件试验件11固化收缩量，获得待植入加捻聚酰亚胺纤维z-pin构件2的长度，并按照此长度裁剪，获得长度合适的加捻纤维段，同理照此方法确定获得长度合适的未加捻聚酰亚胺纤维z-pin构件10。
步骤四、对标号甲，乙，丙三组的复合材料层合构件试验件11进行z-pin植入作业，三组的植入操作分别按如下说明进行：
取甲组为空白组，不进行植入操作；
取聚酰亚胺材质的未加捻纤维z-pin构件10，将其按照预先划定的位置植入到复合材料层合构件试验件11乙组中，并保证未加捻聚酰亚胺纤维z-pin构件10不突出碳纤维增强树脂基复合材料层合构件试验件11表面；如图5所示。
取加捻纤维z-pin构件2植入，将其按照预先划定的位置植入到复合材料层合构件试验件11丙组中，并保证加捻纤维z-pin构件2不突出碳纤维增强树脂基复合材料层合构件试验件11表面。如图6所示。
步骤五、完成植入后，将标号甲，乙，丙三组复合材料层合构件试验件1放入已经设计好的专用固化模具中，并送入到固化装置8中，按照已经设计好的固化工艺流程进行固化。
步骤六、选取甲，乙，丙三组中固化完成的制备件作为试验件，在试验准备阶段严格按照gbt1449-2005纤维增强塑料弯曲性能试验方法的要求，对试验件进行安装固定，保证试验件在加载破坏过程中是由于发生纯弯曲而造成失效。甲，乙，丙组每组均做了5次，均分别通过在下标标数字标识。
试验中收集试验数据，试验完成后整理实验数据如表1所示：
表1
分析实验数据可知，相比于对甲组(不进行z-pin植入)，乙组(进行未加捻z-pin植入)平均弯曲强度提升仅为5.50％，丙组(进行加捻z-pin植入)平均弯曲强度提升13.94％，由此可知，加捻聚酰亚胺z-pin对增强碳纤维增强树脂基复合材料层合板弯曲强度效果明显，即一种提高z-pin增强复合材料层间强度效果的方法得到了试验验证。
1.一种提高z-pin增强复合材料层间强度效果的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、制备复合材料层合构件预制体(1)，所述复合材料层合构件预制体(1)为层合结构的正方体；在所述复合材料层合构件预制体(1)上选出待加强区域，并在所述待加强区域内确定出待加强植入点；
步骤二、制备加捻z-pin构件(2)，其为条状加捻纤维段；
步骤三、将多个所述步骤二中的加捻z-pin构件(2)分别由对应的各植入点垂直植入所述复合材料层合构件预制体(1)内，得增强强度后的复合材料层合构件预制体；各所述加捻z-pin构件(2)的长度为待加强植入点处的厚度减去所述复合材料层合构件预制体(1)的固化收缩量的值。
2.根据权利要求1所述的一种提高z-pin增强复合材料层间强度效果的方法，其特征在于，植入所述待加强植入点的加捻z-pin构件(2)的行/列间距为2mm～10mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高z-pin增强复合材料层间强度效果的方法，其特征在于，所述加捻z-pin构件(2)的制备方法为：将无捻z-pin纤维束(3)充分浸润树脂，再在成型模具中拉挤成形，随后对已经浸润树脂的无捻z-pin纤维束(3)进行加捻、固化，得到长条状的加捻纤维束，将所述长条状的加捻纤维束裁剪成所需长度的加捻纤维段，即得所述加捻z-pin构件(2)。
4.根据权利要求3所述的一种提高z-pin增强复合材料层间强度效果的方法，其特征在于，所述无捻z-pin纤维束(3)材料为碳纤维、玻璃纤维或聚酰亚胺纤维，直径为ф0.1mm～ф1mm。
5.根据权利要求3所述的一种提高z-pin增强复合材料层间强度效果的方法，其特征在于，所述步骤一中，确定所述加强植入点的过程为：将所述待加强区域的表面划分为多个小正方形，各所述正方形的中心即为待加强植入点；其中，各所述小正方形的边与所述复合材料层合构件预制体(1)对应的同侧的边相平行。
6.根据权利要求1或5所述的一种提高z-pin增强复合材料层间强度效果的方法，其特征在于，所述复合材料层合构件预制体(1)由纤维增强树脂基复合材料预浸料铺叠而成。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种提高z-pin增强复合材料层间强度效果的方法制备的强度增强的复合材料层合构件预制体，其特征在于，包括：
一复合材料层合构件预制体(1)，为一由纤维增强树脂基复合材料预浸料铺叠而成的层合结构的正方体；在所述复合材料层合构件预制体(1)上选定有待加强区；且在所述待加强区内设定有多个待加强植入点；
一加捻z-pin构件(2)，为条状的加捻纤维段，并由各所述待加强植入点垂直植入所述复合材料层合构件预制体(1)内，多个加强植入点内的所述加捻z-pin构件(2)的行/列间距为2mm～10mm。
技术总结