一种基于碳纤维复合材料驱动的可变形机翼及其制备方法

1.本发明涉及形状记忆复合材料技术领域，特别涉及一种基于碳纤维复合材料驱动的可变形机翼及其制备方法。


背景技术：

2.提升飞机的飞行性能一直是飞机设计人员的追求目标。飞机机翼变形可以有效改变其飞行状态，满足不同速度飞行条件下能量消耗最低。可变形机翼可根据不同的飞行环境和任务改变自身形状，以实现在整个飞行包线上具有可调节的升阻比、更短的起降距离、更少的油耗、更广的航程、更高的升限以及更高的机动性和隐身性能。
3.经过文献搜索发现，中国专利公开号cn104139847a公布了一种用于飞机机翼的弯度可变的机翼后缘以及机翼前缘，提供了一种基于5r闭环单元、可组网、可冗余驱动、可连续改变机翼前后缘的机构，能有效提高飞机的机动性能、电磁隐蔽性能、安全性能等。
4.中国专利公开号cn110758751a公布了一种基于形状记忆合金驱动的可变形机翼。其包括翼梁、翼肋、前墙、后墙、桁条、柔性蒙皮和驱动装置；驱动装置包括刚性箱体、滑块、转换机构、形状记忆合金丝、气弹簧、第一连杆、第二连杆、第三连杆、加热电阻丝和电隔离保护罩。
5.综上所述，现有技术在制作可变形机翼过程中仍存在许多不足，用传统的机械结构作为驱动器，机械结构复杂，维修费用高，影响可靠性；用形状记忆合金作为驱动器，合金密度大，质量重，飞机能耗增加。所以为达到该要求，需要制备一种材料，能够在特定的外界条件刺激下可以进行形状变化，当外界条件刺激消失时，可恢复原来形状。
6.复合材料是两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。碳纤维力学性能优异，可以在碳纤维环氧树脂基复合材料中作为增强体使用。石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料是具有高强度、高形状记忆性能的材料。
7.石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料、电动滑轮、钢丝的驱动结构是在保证结构合理、安全和功能可靠的整体前提下，以实现机翼变形、低质量、高强度为重点的设计。石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料和钢丝的驱动机构机械结构简单，质量轻，强度高，可靠性高，可以克服机械结构复杂、维修费用高、可靠性低、重量大、耗能高等缺点，该驱动机构可以实现飞机机翼后缘变形，改善飞机的气动特性，提高气动效率。


技术实现要素：

8.为了解决上述问题，本发明提供一种具有结构简单、质量轻、强度高、可靠性高的石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料驱动机翼变形及其制备方法。当需要机翼后缘向上动作时，电驱动器驱动电动滑轮逆时针旋转，上方钢丝缩短，下方钢丝伸长，机翼向上运动，同时通过加热片使下方的石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料升温，回复到初始位置，带动机翼后缘顶点向上动作。当需要机翼后缘向下动作时，电驱动器驱动电动滑轮顺时针旋转，上方钢丝伸长，下方钢丝缩短，通过加热片使上方的石墨烯-碳纤维/环
氧树脂基形状记忆复合材料升温，回复到初始位置，带动机翼后缘顶点向下动作。
9.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的，首先制备复合材料：一种石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料的制备方法，包括如下步骤：
10.s1、烧杯中加入15g无水乙醇和质量分数为0.5％的氧化石墨烯，用电磁搅拌设备以500r/min的速度搅拌无水乙醇/氧化石墨烯混合物20min；
11.s2、将无水乙醇/氧化石墨烯混合物置于超声分散设备中，以40khz、200w的速度分散60min；
12.s3、在无水乙醇/氧化石墨烯混合物中加入环氧树脂40g，用电磁搅拌设备将无水乙醇/氧化石墨烯/环氧树脂混合物以500r/min的转速均匀分散40min；
13.s4、无水乙醇/氧化石墨烯/环氧树脂混合物置于超声分散设备中，以40khz、200w的速度分散60min；
14.s5、电磁搅拌和超声分散后，将无水乙醇/氧化石墨烯/环氧树脂混合物置于真空泵进行真空处理，其压力为-0.09mpa,时间为24h；
15.s6、在s5的混合溶液中加入8g固化剂，将氧化石墨烯/环氧树脂/固化剂混合物以500r/min的速度电磁搅拌10min，使其均匀混合，即得含氧化石墨烯的树脂溶液；
16.s7、裁剪100
×
20mm的碳纤维布，将含氧化石墨烯的树脂溶液均匀涂抹在碳纤维布两侧，依次按0
°
角铺层，得碳纤维预制件；
17.s8、将碳纤维预制件转移至压模中，在0.2mpa的压力下室温挤压2h，其厚度控制在2mm；
18.s9、将压制后的预制件放入80℃的真空干燥箱中真空固化3小时。随后将碳纤维预制件从真空干燥箱中取出，放入提前预热至50℃的模压机中，施加0.7mpa的挤压压力，保压5分钟；
19.s10、停止加热加压，在模具恢复到室温下，取出制备好的石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料。
20.进一步的，固化剂为酚醛胺，环氧树脂与固化剂的混合质量比为5:1。
21.进一步的，氧化石墨烯的质量百分为氧化石墨烯与环氧树脂的质量比。
22.进一步的，石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料制备完成后，用两块石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料作为驱动器铺设到机翼变形段的上下表面，将加热片贴在碳纤维形状记忆复合材料上下表面，需要加热时用机载电源供电。将驱动机构和变型后冷却形状记忆复合材料同时放在机翼里。当需要机翼后缘向上动作时，电驱动器驱动电动滑轮逆时针旋转，上方钢丝缩短，下方钢丝伸长，机翼向上运动，同时通过机载电源供电加热电阻丝使下方的碳纤维形状记忆复合材料升温，形状记忆复合材料回复到初始位置，带动机翼后缘顶点向上弯曲。当需要机翼后缘向下动作时，电驱动器驱动电动滑轮顺时针旋转，上方钢丝伸长，下方钢丝缩短，通过机载电源供电加热电阻丝使上方的碳纤维形状记忆复合材料升温，形状记忆复合材料回复到初始位置，带动机翼后缘顶点向下弯曲。
23.综上所述，本发明具有以下有益效果：
24.本技术中，运用电驱动器、电动滑轮、钢丝、石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料驱动飞机机翼变形，机械结构简单，轻质高强、可靠性高；用真空浸渗热压工艺制备的石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料具有轻质高强、耐磨损、耐腐蚀、热膨胀
系数低、形状记忆性能好等优势，与电驱动器、电动滑轮和钢丝组成驱动结构控制机翼后缘上下弯曲可以改善飞机的气动特性，提高气动效率。
附图说明
25.图1为真空浸渗热压成型工艺示意图；
26.图2为碳纤维形状机翼复合材料带动机翼向下弯曲示意图；
27.图3为碳纤维形状机翼复合材料带动机翼向上弯曲示意图；
28.图4为机翼变形前的形状示意图；
29.图5为机翼变形后的形状示意图；
30.图6为钢丝、石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料驱动机构示意图；
31.图7为石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料加热片示意图；
具体实施方式
32.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围
33.实施例1
34.如图1-7所示，本实施例提供了一种基于碳纤维复合材料驱动的可变形机翼及其制备方法。飞机机翼包括机翼前缘1、机翼中部2、机翼后缘3，本实施例中机翼前缘1和机翼中部2不动，机翼后缘3弯度可变。
35.本技术实施例公开一种t700碳纤维形状记忆复合材料的其制备方法，包括如下步骤：
36.s1、烧杯中加入15g无水乙醇和质量分数为0.5％的氧化石墨烯，用电磁搅拌设备以500r/min的速度搅拌无水乙醇/氧化石墨烯混合物20min；
37.s2、将无水乙醇/氧化石墨烯混合物置于超声分散设备中，以40khz、200w的速度分散60min；
38.s3、在无水乙醇/氧化石墨烯混合物中加入环氧树脂40g，用电磁搅拌设备将无水乙醇/氧化石墨烯/环氧树脂混合物以500r/min的转速均匀分散40min；
39.s4、无水乙醇/氧化石墨烯/环氧树脂混合物置于超声分散设备中，以40khz、200w的速度分散60min；
40.s5、电磁搅拌和超声分散后，将无水乙醇/氧化石墨烯/环氧树脂混合物置于真空泵进行真空处理，其压力为-0.09mpa,时间为24h；
41.s6、在s5的混合溶液中加入8g固化剂，将氧化石墨烯/环氧树脂/固化剂混合物以500r/min的速度电磁搅拌10min，使其均匀混合，即得含氧化石墨烯的树脂溶液。
42.s7、裁剪100
×
20mm的碳纤维布，将含氧化石墨烯的树脂溶液均匀涂抹在碳纤维布两侧，依次按0
°
角铺层，得碳纤维预制件；
43.s8、将碳纤维预制件转移至压模中，在0.2mpa的压力下室温挤压2h，其厚度控制在2mm；
44.s9、将压制后的预制件放入80℃的真空干燥箱中真空固化3小时。随后将碳纤维预制件从真空干燥箱中取出，放入提前预热至50℃的模压机中，施加0.7mpa的挤压压力，保压5分钟；
45.s10、停止加热加压，在模具恢复到室温下，取出制备好的石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料。
46.电驱动器(201)与电动滑轮(202)卡接在长桁(203)上，钢丝(302)缠绕在电动滑轮上(202)，制作好的两块变型后冷却的石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料(303)焊接在后梁上，以上器件应用在一个可变弯度后缘机翼模型上。当需要机翼后缘向上动作时，电驱动器驱动电动滑轮逆时针旋转，上方钢丝缩短，下方钢丝伸长，机翼向上运动，同时通过机载电源供电加热片使下方的石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料升温，回复到初始位置，带动机翼后缘顶点向上动作。当需要机翼后缘向下动作时，电驱动器驱动电动滑轮顺时针旋转，上方钢丝伸长，下方钢丝缩短，通过机载电源供电加热片使上方的石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料升温，回复到初始位置，带动机翼后缘顶点向下动作。
47.实施例2
48.本实施例与实施例1之间的区别仅在于：碳纤维为t300碳纤维。
49.实施例3
50.本实施例与实施例1之间的区别仅在于：氧化石墨的质量分数为0.75％。
51.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于碳纤维复合材料驱动的可变形机翼及其制备方法，其特征在于用真空浸渗热压成型工艺制备的石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料、电动滑轮、钢丝作为驱动机构，包括：电驱动器(201)、电动滑轮(202)、长桁(203)、飞机后梁(301)、钢丝(302)、石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料(303)；制备石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料有以下步骤：s1、烧杯中加入15g无水乙醇和质量分数为0.5％的氧化石墨烯，用电磁搅拌设备以500r/min的速度搅拌无水乙醇/氧化石墨烯混合物20min；s2、将无水乙醇/氧化石墨烯混合物置于超声分散设备中，以40khz、200w的速度分散60min；s3、在无水乙醇/氧化石墨烯混合物中加入环氧树脂40g，用电磁搅拌设备将无水乙醇/氧化石墨烯/环氧树脂混合物以500r/min的转速均匀分散40min；s4、无水乙醇/氧化石墨烯/环氧树脂混合物置于超声分散设备中，以40khz、200w的速度分散60min；s5、电磁搅拌和超声分散后，将无水乙醇/氧化石墨烯/环氧树脂混合物置于真空泵进行真空处理，其压力为-0.09mpa,时间为24h；s6、在s5的混合溶液中加入8g固化剂，将氧化石墨烯/环氧树脂/固化剂混合物以500r/min的速度电磁搅拌10min，使其均匀混合，即得含氧化石墨烯的树脂溶液；s7、裁剪100
×
20mm的碳纤维布，将含氧化石墨烯的树脂溶液均匀涂抹在碳纤维布两侧，依次按0
°
角铺层，得碳纤维预制件；s8、将碳纤维预制件转移至压模中，在0.2mpa的压力下室温挤压2h，其厚度控制在2mm；s9、将压制后的预制件放入80℃的真空干燥箱中真空固化3小时，随后将碳纤维预制件从真空干燥箱中取出，放入提前预热至50℃的模压机中，施加0.7mpa的挤压压力，保压5分钟；s10、停止加热加压，在模具恢复到室温下，取出制备好的石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料。2.根据权利要求1所述的一种基于碳纤维复合材料驱动的可变形机翼及其制备方法，其特征是：运用真空浸渗热压工艺制备石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料。3.根据权利要求1所述的一种基于碳纤维复合材料驱动的可变形机翼及其制备方法，其特征是：加热片要贴在石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料表面。4.根据权利要求1所述的一种基于碳纤维复合材料驱动的可变形机翼及其制备方法，其特征是：上下石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料要对称放置。

技术总结
本申请公开了一种基于碳纤维复合材料驱动的可变形机翼及其制备方法，通过真空浸渗热压工艺制备石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料。本申请可以通过电驱动器驱动电动滑轮带动钢丝和石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料的形状回复同时控制机翼后缘上下弯曲。当需要机翼后缘向上弯曲时，电驱动器驱动电动滑轮逆时针旋转，通过加热片使下方的石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料升温回复到初始位置，带动机翼后缘顶点向上弯曲。当需要机翼后缘向下弯曲时，电驱动器驱动电动滑轮顺时针旋转，通过加热片使上方的石墨烯-碳纤维/环氧树脂基形状记忆复合材料升温回复到初始位置，带动机翼后缘顶点向下弯曲。曲。曲。


技术研发人员：张育洋 马玉钦 吴晓君 许怡 何有权 郑武强 田永堂 王胜
受保护的技术使用者：西安建筑科技大学
技术研发日：2023.02.13
技术公布日：2023/6/3