一种连续碳纤维双稳态环形缓冲结构及其制备方法

本发明涉及连续纤维增强复合材料，具体涉及一种连续碳纤维双稳态环形缓冲结构及其制备方法。

背景技术：

1、双稳态结构具有两个无需持续外载即可保持的稳定构型，当外载达到临界条件时，其能够由一个稳定构型跳变至另一个稳定构型，可应用于核电站蒸汽发生器传热管检测设备中涡流探头导向组件的缓冲防护。

2、现有的双稳态及缓冲结构中，cn114801356a公开了在碳纤维树脂基复合材料层之间设置形状记忆聚合物层而形成的双稳态层合板，cn117145904a公开了由碳纤维复合材料薄壳和三叉星形连接件构成的三螺旋缓冲结构，cn115899131b公开了由柔性弹性杆和梯形自锁结构组成的双稳态吸能防护结构。上述方案分别依靠形状记忆聚合物功能中间层、螺旋薄壳或者杆件自锁单元实现稳态转换，其材料层次、成形方式以及整体受载形式，均不同于以片状连续碳纤维增强热塑性复合材料为基本单元、以径向压缩为主要受载形式的环形缓冲结构。在不设置形状记忆聚合物功能中间层的前提下，如何仅依靠连续碳纤维增强热塑性复合材料单层薄片的交叉叠合与约束热处理获得双稳态薄片，并将多个片状双稳态单元沿周向组合为径向受压时利用构型跳变参与缓冲的闭合环形结构，仍是需要解决的问题。

技术实现思路

1、鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种连续碳纤维双稳态环形缓冲结构及其制备方法，在不设置形状记忆聚合物功能中间层的条件下，使连续碳纤维增强热塑性复合材料薄片具备双稳态特性，并将多个片状双稳态单元组合为以径向压缩为主要受载形式的闭合环形缓冲结构，使双稳态薄片的构型跳变直接参与缓冲，同时便于片状单元成形与环形结构装配，并使缓冲过程在一定条件下能够重复进行。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种连续碳纤维双稳态环形缓冲结构，包括至少三片双稳态薄片以及用于连接相邻双稳态薄片的圆弧形连接件；

3、每片所述双稳态薄片由第一单层薄片和第二单层薄片直接叠合构成，所述第一单层薄片和第二单层薄片均为分别独立打印形成的单向连续碳纤维增强热塑性复合材料薄片，所述第一单层薄片中的连续碳纤维铺放方向与所述第二单层薄片中的连续碳纤维铺放方向相互垂直，且两片单层薄片之间不设置形状记忆聚合物功能中间层；

4、每个所述圆弧形连接件设置有用于容纳双稳态薄片侧边的安装槽，每片双稳态薄片的两个相对侧边中部分别插入两个相邻圆弧形连接件的安装槽内，所述双稳态薄片与圆弧形连接件沿周向交替连接形成具有内部空间的闭合环形结构；

5、所述闭合环形结构沿径向受压时，处于加载路径上的至少一片双稳态薄片能够由第一稳定构型跳变至第二稳定构型。

6、优选的，定义所述第一单层薄片中的连续碳纤维铺放方向为0°，所述第二单层薄片中的连续碳纤维铺放方向为90°，两片单层薄片形成0°/90°交叉层合结构，且每一单层薄片内的连续碳纤维沿单一方向连续铺放。

7、优选的，所述单层薄片是以聚酰胺为基体、以连续碳纤维为增强相的连续碳纤维增强热塑性复合材料薄片。

8、优选的，所述圆弧形连接件连接于双稳态薄片相对侧边的中部位置，连接同一双稳态薄片的两个圆弧形连接件相对于该双稳态薄片的中心线对称设置。

9、优选的，所述安装槽的槽宽与双稳态薄片叠合后的层合厚度相适配，所述双稳态薄片插入安装槽后依靠其表面与安装槽内壁之间的接触摩擦保持固定，且所述闭合环形结构不设置贯穿双稳态薄片的机械紧固件。

10、优选的，所述圆弧形连接件采用熔融沉积成型方式增材制造而成。

11、优选的，所述双稳态薄片的数量为3～6片。

12、一种连续碳纤维双稳态环形缓冲结构的制备方法，包括以下步骤：

13、s1，采用连续碳纤维复合材料打印机分别打印第一单层薄片和第二单层薄片，所述第一单层薄片和第二单层薄片均为单向连续碳纤维增强热塑性复合材料薄片，且每一单层薄片内的连续碳纤维沿单一方向连续铺放；

14、s2，将所述第一单层薄片和第二单层薄片按连续碳纤维铺放方向相互垂直的方式对齐叠合，两片单层薄片直接接触，且二者之间不设置形状记忆聚合物功能中间层；

15、s3，将叠合后的两片单层薄片置于上金属压块和下金属压块之间，所述上金属压块和下金属压块的压合面形状和面积与叠合后的两片单层薄片相对应，通过所述上金属压块和下金属压块对叠合后的两片单层薄片持续施加压紧约束；

16、s4，在保持所述压紧约束的状态下，于220℃条件下热处理35～50min；

17、s5，热处理结束后继续保持所述压紧约束，使叠合后的两片单层薄片冷却至室温，再解除所述压紧约束并脱模，得到具有第一稳定构型和第二稳定构型的双稳态薄片；

18、s6，取至少三片所述双稳态薄片，将每片双稳态薄片的两个相对侧边中部分别插入相邻圆弧形连接件的安装槽内，使所述双稳态薄片与圆弧形连接件沿周向交替连接，形成闭合环形结构。

19、优选的，步骤s5脱模得到的双稳态薄片在无持续外载作用下保持第一稳定构型，对所述双稳态薄片施加机械载荷并达到构型转换条件时，所述双稳态薄片跳变至第二稳定构型，解除所述机械载荷后保持第二稳定构型。

20、优选的，步骤s6中，所述双稳态薄片插入安装槽后依靠其表面与安装槽内壁之间的接触摩擦保持固定，且不采用贯穿双稳态薄片的机械紧固件。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、第一，本发明通过两片分别独立打印的单向连续碳纤维增强热塑性复合材料单层薄片按相互垂直的铺放方向直接叠合，并在金属压块约束下完成热处理与约束冷却，能够在不设置形状记忆聚合物功能中间层的条件下使层合薄片具备两个可自行保持的稳定构型，从而减少功能层数量、简化材料层次。

23、第二，本发明通过至少三片双稳态薄片与开设安装槽的圆弧形连接件沿周向交替围成闭合环形结构，并以径向压缩作为主要受载形式，受压时处于加载路径上的双稳态薄片发生构型跳变、其余双稳态薄片继续发生弯曲或压缩变形，从而使双稳态薄片的稳定构型转换直接参与环形结构的缓冲过程，形成包含构型转换阶段的分阶段压缩响应。

24、第三，本发明通过安装槽嵌插与接触面接触摩擦实现固定，且不设置贯穿双稳态薄片的机械紧固件，有利于保持双稳态薄片的连续性，并便于闭合环形结构的装配以及单片双稳态薄片的更换。

25、第四，由于双稳态薄片的两个稳定构型在卸除外载后均能够保持，在未超过双稳态薄片不可逆损伤范围时，使发生跳变的双稳态薄片恢复至原稳定构型即可再次进行径向压缩缓冲，有利于缓冲结构的重复使用。

26、第五，两片单层薄片分别增材制造、可逐片控制连续碳纤维的铺放路径，圆弧形连接件也可以采用增材方式成形，有利于各组成部分分别成形并灵活组织制备过程。

27、下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

1.一种连续碳纤维双稳态环形缓冲结构，其特征在于：包括至少三片双稳态薄片以及用于连接相邻双稳态薄片的圆弧形连接件；

2.根据权利要求1所述的连续碳纤维双稳态环形缓冲结构，其特征在于：定义所述第一单层薄片中的连续碳纤维铺放方向为0°，所述第二单层薄片中的连续碳纤维铺放方向为90°，两片单层薄片形成0°/90°交叉层合结构，且每一单层薄片内的连续碳纤维沿单一方向连续铺放。

3.根据权利要求1所述的连续碳纤维双稳态环形缓冲结构，其特征在于：所述单层薄片是以聚酰胺为基体、以连续碳纤维为增强相的连续碳纤维增强热塑性复合材料薄片。

4.根据权利要求1所述的连续碳纤维双稳态环形缓冲结构，其特征在于：所述圆弧形连接件连接于双稳态薄片相对侧边的中部位置，连接同一双稳态薄片的两个圆弧形连接件相对于该双稳态薄片的中心线对称设置。

5.根据权利要求1所述的连续碳纤维双稳态环形缓冲结构，其特征在于：所述安装槽的槽宽与双稳态薄片叠合后的层合厚度相适配，所述双稳态薄片插入安装槽后依靠其表面与安装槽内壁之间的接触摩擦保持固定，且所述闭合环形结构不设置贯穿双稳态薄片的机械紧固件。

6.根据权利要求1所述的连续碳纤维双稳态环形缓冲结构，其特征在于：所述圆弧形连接件采用熔融沉积成型方式增材制造而成。

7.根据权利要求1所述的连续碳纤维双稳态环形缓冲结构，其特征在于：所述双稳态薄片的数量为3～6片。

8.一种如权利要求1-7任一所述的连续碳纤维双稳态环形缓冲结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的连续碳纤维双稳态环形缓冲结构的制备方法，其特征在于：步骤s5脱模得到的双稳态薄片在无持续外载作用下保持第一稳定构型，对所述双稳态薄片施加机械载荷并达到构型转换条件时，所述双稳态薄片跳变至第二稳定构型，解除所述机械载荷后保持第二稳定构型。

10.根据权利要求8所述的连续碳纤维双稳态环形缓冲结构的制备方法，其特征在于：步骤s6中，所述双稳态薄片插入安装槽后依靠其表面与安装槽内壁之间的接触摩擦保持固定，且不采用贯穿双稳态薄片的机械紧固件。