CN101032876A - 点阵增强型复合材料夹层结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种点阵增强型复合材料夹层结构，它包括芯材(1)，纤维面板(2)，其特征在于沿芯材(1)厚度方向设有穿孔，穿孔中填充树脂后形成树脂柱(3)或填充有纤维与树脂形成的复合材料柱(4)，在芯材(1)的上下表面铺设有纤维布层，与树脂固化形成纤维面板(2)。本发明与目前的其他产品相比，其最大的特点是树脂柱或复合材料柱可起到螺栓的作用，明显增强面板与芯材之间的抗剥离能力，同时可提高芯材的抗压和抗剪能力，使复合材料夹层结构的整体受力性能得到明显的改善。它普遍应用于负荷较大的结构件，如航空航天、舰船车辆等结构，也可应用于桥梁建筑领域。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料夹层结构梁、板、壳结构件，具体地说为一种点阵增强型复合材料夹层结构，它普遍应用于航空航天、舰船车辆等的结构构件，如舰船面板、集装箱底板等，也可用于桥梁建筑领域，如：机场垫板、桥面板等。
背景技术
复合材料夹层结构由三部分组成，最外层是面板，主要承受弯曲变形引起的正应力，采用高强、高模量的材料制造，如层压的碳纤维或玻璃纤维布等；中间是芯材，为夹层结构提供足够的截面惯性矩，主要承受剪应力，常用蜂窝、泡沫、轻木等材料。面板和芯材之间是胶接层，通过树脂将两者粘接在一起，常用不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂、酚醛树脂等。
复合材料夹层结构既充分利用了纤维材料强度高、重量轻的优势，又巧妙地借助轻质芯材所获得的截面惯性矩，可以达到理想的结构性能(如强度、刚度和冲击韧性等)，由于其具有比强度和比刚度高、可设计性强等其他材料不可比拟的特点，以及适应于轻质、高速、安全、抗疲劳、耐腐蚀、隐形等特性的发展趋势，复合材料夹层结构的应用领域越来越广泛，可涉及军事设施、国防工程、车辆、舰船、建筑、桥梁等领域；如发达国家采用复合材料夹层结构制造舰船构件、火车及大型客车的车厢、集装箱、运料罐车以及化工储罐等，甚至用于美国宇航局漫游者号月球登陆车；在桥梁建筑领域，可用于屋面板、建筑模板、墙体隔板、桥面板、机场临时垫板、轻便舟桥等。由此可见，复合材料夹层结构是一种具有广阔发展前景的材料与结构形式。
在我国，复合材料夹层结构多以蜂窝为芯材，但蜂窝夹层结构的面板与芯材的接触面积小，因此其粘结性能相对较弱。另外，我国也有以聚氨酯等泡沫为芯材的复合材料夹层结构，但面板与芯材的界面构造简单，容易导致面板脱胶剥离等严重后果，同时由于泡沫和轻木芯材的抗压和抗剪能力较低，因此并不能充分利用纤维面板的抗拉能力，从而使得该夹层结构形式不能得以广泛应用。
发明内容
本发明的目的则是针对目前泡沫和轻木芯材的抗压和抗剪能力较低、芯材与面板的界面构造简单等技术的不足，提供一种点阵增强型复合材料夹层结构，可显著提高芯材的抗压与抗剪能力以及芯材与面板之间的抗剥离能力。
本发明的目的可以通过以下措施来达到：
一种点阵增强型复合材料夹层结构，它包括芯材1，纤维面板2，在芯材1的厚度方向上设有穿孔，穿孔内填充树脂形成树脂柱3或填充有纤维与树脂形成的复合材料柱4，在芯材1的上下表面通过树脂铺设有纤维面板2，另外，芯材1的上下表面也可开有网格状的凹槽5。
其中，所述的树脂柱3与复合材料柱4的尺寸、排列方式均任意，优选为正交布置；所述的树脂柱3与复合材料柱4进一步优选为错位布置。
所述的芯材1为泡沫、轻木或其他任意材质，它包括：聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、Balsa木、泡桐木、杉木、橡木或胶合板。
所述的纤维面板2为纤维材质，它包括：单轴向、双轴向或多轴向的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或杂交纤维布。
所述的树脂柱3与复合材料柱4的截面为圆形、椭圆形、方形、菱形或其它形状。
所述的树脂柱3与复合材料柱4为竖直、倾斜或三维立体布置。
所述的树脂包括：不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂或酚醛树脂。
所述的凹槽5可以为尖形、矩形、开口三角形或其他任意形状。
所述的纤维面板2布置于芯材1上、下表面的厚度既可以一致也可以不一致而且纤维布层的铺设方向与层数可根据需要灵活调整。
上述的点阵增强型复合材料夹层结构可以采用如下所述方法制备得到：
a.沿泡沫或轻木芯材1的厚度方向穿孔，孔可呈正交布置或错位布置等，其截面一般为圆形，可竖直、倾斜或立体布置；
b.也可在泡沫或轻木芯材1的上下表面开正交布置的凹槽5；
c.处理完毕的芯材1可根据构件需要，加工成梁、板、壳形状；
d.将一层或多层纤维布铺设于芯材1的上下表面；
e.其中步骤a，b，c，d也可由本步骤代替：将一层或多层纤维布铺设于芯材1的上下表面，然后采用纤维沿芯材1的厚度方向进行缝纫，可竖直或倾斜缝纫。
f.通过真空袋成型工艺、真空导入成型工艺或RTM成型工艺将树脂灌入到真空袋或模具中；
g.待树脂固化成型后，取出，纤维布层与树脂固化成纤维面板2，穿孔填满树脂形成树脂柱3，用于缝纫的纤维与树脂形成复合材料柱4，另外凹槽5填满树脂。
这样即可获得一种芯材抗压与抗剪能力以及面板与芯材之间粘结能力得以显著提高的点阵增强型复合材料夹层结构。
本发明具有如下优点：
本发明点阵增强型复合材料夹层结构与目前的其他产品相比，其最大的特点是沿芯材厚度方向的树脂柱或复合材料柱可明显提高芯材的抗压和抗剪能力，也可起到类似于螺拴的功能，增强面板与芯材之间的抗剥离能力，另外填满树脂的凹槽也可明显增强面板与芯材之间的抗剥离能力，使复合材料夹层结构的整体受力性能得到明显的改善。
附图说明
图1为点阵增强型复合材料夹层结构梁、板、壳结构件示意图之一。
图2为点阵增强型复合材料夹层结构梁、板、壳结构件示意图之二。
图3为点阵增强型复合材料夹层结构梁、板、壳结构件示意图之三。
图4为沿芯材厚度方向布置的树脂柱或复合材料柱的示意图。
图5为树脂柱与复合材料柱呈倾斜布置时的结构示意图。
图6为芯材上下表面开有网格状凹槽结构示意图。
图7为树脂柱或复合材料柱在芯材平面方向上的排列方式示意图之一。
图8为树脂柱或复合材料柱在芯材平面方向上的排列方式示意图之二。
附图中：1为芯材，包括：泡沫(聚氨酯、聚氯乙烯、碳泡沫等)和轻木(Balsa木、泡桐木、杉木、橡木、胶合板等)；2为纤维面板，包括玻璃纤维面板、碳纤维面板、芳纶纤维面板、杂交纤维面板等；3为树脂柱(不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂或酚醛树脂等)；4为纤维与树脂形成的复合材料柱；5为凹槽(尖形、矩形、开口三角形等)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地说明：
实施例1
本发明的点阵增强型复合材料夹层结构，它包括聚氯乙烯泡沫材质的芯材1，沿芯材1的厚度方向上设有圆形穿孔，穿孔正交、竖直布置，孔中填满环氧树脂后形成树脂柱3，在芯材1的上下表面均铺设有两层双轴向碳纤维布层，纤维布层与环氧树脂固化形成碳纤维面板2。
实施例2
本发明的点阵增强型复合材料夹层结构，它包括泡桐木材质的芯材1，沿芯材1的厚度方向上设有圆形穿孔，穿孔正交、倾斜布置，孔中填满乙烯基树脂后形成树脂柱3，在芯材1的上下表面开有相互平行的横向矩形凹槽5和相互平行的竖向矩形凹槽5，在芯材1的上表面铺设有三层四轴向玻璃纤维布层，在芯材1的下表面铺设有三层四轴向芳纶纤维布层，上下表面的纤维布层与乙烯基树脂固化形成纤维面板2。
如实施例1所述，但在穿孔时，根据受力需要，穿孔的个数和排列方式可灵活控制。
实施例3
本发明的点阵增强型复合材料夹层结构，它包括聚氨酯泡沫材质的芯材1，在芯材1的上、下表面均铺设有三层四轴向玻璃纤维布层，沿芯材1的厚度方向上采用芳纶纤维将玻璃纤维布层与芯材1缝纫，缝纫点正交错位、垂直布置，与不饱和聚酯形成复合材料柱4，纤维布层与不饱和聚酯固化形成纤维面板2。
如实施例1、2所述，但布置于芯材1上下表面的纤维面板2的厚度可一致，也可不一致。
上述点阵增强型复合材料夹层结构的制备方法如下：
a.在泡沫(包括：聚氨酯、聚氯乙烯、碳泡沫等)或轻木(包括：Balsa木、泡桐木、杉木、橡木、胶合板等)芯材1的厚度方向穿孔，孔呈正交布置或错位布置等，其截面可包括：圆形、方形、椭圆形、菱形等其它形状，可竖直、倾斜或立体布置；
b.也可在泡沫或轻木芯材1的上下表面开正交布置的凹槽5(槽的形状可包括：尖形、矩形、开口三角形等)；
c.处理完毕的芯材1可根据构件需要加工成梁、板、壳形状；
d.将一层或多层纤维布(包括：单轴向、双轴向或多轴向的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维以及杂交纤维布等)铺设于芯材1的上下表面；
e.其中步骤a，b，c，d也可由本步骤代替：将一层或多层纤维布铺设于芯材1的上下表面，然后采用纤维沿芯材1的厚度方向进行缝纫，可竖直或倾斜缝纫。
f.通过真空袋成型工艺、真空导入成型工艺或RTM成型工艺将树脂(包括：不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂、酚醛树脂等)灌入到真空袋或模具中；
g.待树脂固化成型后，从真空袋或模具中取出芯材1，其上的纤维布层与树脂固化成纤维面板2，穿孔填满树脂形成圆柱形树脂柱3，用于缝纫的纤维与树脂形成复合材料柱4，另外凹槽5填满树脂。
这样即可获得一种芯材抗压与抗剪能力以及面板与芯材之间粘结能力得以显著提高的点阵增强型复合材料夹层结构。
Claims (10)
1、一种点阵增强型复合材料夹层结构，它包括芯材(1)，纤维面板(2)，其特征在于沿芯材(1)厚度方向设有穿孔，穿孔中填充树脂后形成树脂柱(3)或填充有纤维与树脂形成的复合材料柱(4)，在芯材(1)的上下表面铺设有纤维布层，与树脂固化形成纤维面板(2)。
2、根据权利要求1所述的点阵增强型复合材料夹层结构，其特征在于所述的芯材(1)的上下表面开设有网格状的凹槽(5)。
3、根据权利要求1所述的点阵增强型复合材料夹层结构，其特征在于所述的树脂柱(3)或复合材料柱(4)在芯材(1)平面上呈正交布置或错位布置。
4、根据权利要求1或3所述的点阵增强型复合材料夹层结构，其特征在于所述的树脂柱(3)或复合材料柱(4)沿芯材(1)厚度方向上垂直、倾斜或三维立体布置。
5、根据权利要求1或3所述的点阵增强型复合材料夹层结构，其特征在于所述的树脂柱(3)或复合材料柱(4)的截面为圆形、椭圆形、方形、菱形。
6、根据权利要求2所述的点阵增强型复合材料夹层结构，其特征在于所述的凹槽(5)为尖形、矩形、开口三角形。
7、根据权利要求2所述的点阵增强型复合材料夹层结构，其特征在于所述的凹槽(5)为平行布置、相交布置或正交布置。
8、根据权利要求1所述的点阵增强型复合材料夹层结构，其特征在于所述的芯材(1)材质采用聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、Balsa木、泡桐木、杉木、橡木或胶合板。
9、根据权利要求1所述的点阵增强型复合材料夹层结构，其特征在于所述的纤维布层为单轴向、双轴向或多轴向的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维以及杂交纤维布。
10、根据权利要求1所述的点阵增强型复合材料夹层结构，其特征在于所述的树脂为不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂或酚醛树脂。
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