CN101289017A - 高速列车用复合材料结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速列车用复合材料及其制造方法。采用由上下两层玻璃纤维增强铝合金层板面板替代现有技术的单纯铝合金面板，并在玻璃纤维增强铝合金层板面板内部通过铝合金薄板和高强玻璃纤维增强环氧树脂层板进行错位拼接的形式实现大型面板的连续性，并拥有轻质、高强、高疲劳性能、高冲击损伤容限，高耐燃烧性能等优良品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种高速列车用复合材料结构。本发明还涉及所述复合材料结构的制备方法。
背景技术
欧洲专利申请说明书EP1619020A1公布了一种可用于高速列车车身制造的轻质铝面板泡沫夹芯结构。其结构细节是将铝合金面板与聚氨酯泡沫塑料芯材用胶粘剂粘接成三明治结构。该技术在应用中存在下列问题：
1、采用铝合金面板，构件尺寸受到铝合金薄板尺寸的限制，无法在面板连续的情况下实现铝面板的连接以及面板的变厚度设计；铝面板的铆接或焊接等机械连接形式易产生应力集中，不利于结构的疲劳性能。
2、高速行驶的高速列车外表面比飞机更易遭遇碎石、冰雹等近地面物体的冲击，因此需要铝合金面板具有一定的厚度以抵抗冲击的影响。虽然铝合金面板的抗冲击性能优于玻璃纤维增强树脂(GFRP)面板，但由于具有一定厚度的铝合金板在大面积曲面的精确成型加工方面存在困难，难于用铝面板/泡沫夹芯复合结构制造具有复杂形状的车身覆盖件；
3、成型泡沫夹芯结构时，面板的表面形状必须与内层硬质泡沫的形状完全匹配，否则容易造成面板与芯材的粘接不良。如果需要对泡沫夹芯结构进行变截面设计，这时，面板表面不是平面，该问题会更加突出；
4、在需要局部增强的连续区域，无法在面板连续的情况下实现面板的变厚度设计；
5、铆接容易导致在结构连接区铝合金薄板的疲劳破坏。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够满足车身在防火、曲面成型、连接区域抗疲劳性能、减重、抗冲击、防爆方面要求的高速列车用复合材料结构；为此，本发明还要提供一种制造所述复合材料结构的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种高速列车用复合材料结构，其由上下两层玻璃纤维增强铝合金层板面板和夹在所述面板之间的泡沫芯材组成；而且所述上下两层玻璃纤维增强铝合金层板面板和所述泡沫芯材之间通过胶粘剂进行粘接。
为了使纤维增强金属层板与泡沫夹芯复合材料更好的配合，本发明的制造方法，包括如下步骤：a.根据铺层设计结果，在单面阳模上，通过高强玻璃纤维预浸料与铝合金薄板逐层铺设的方式完成纤维增强铝合金层板的铺层；当大面积构件尺寸超出铝合金薄板的幅宽时，在需要连接处采取单元层间错位搭接的方式完成大面积层板的整体成型；b.选用真空辅助模压工艺或热压罐工艺完成上述纤维增强铝合金层板的成型；亦可用真空袋包裹整个结构，抽真空后放入烘箱进行热固化；c.以已成型的纤维增强铝合金层板为阳模，完成泡沫芯材的找型、加工；d.完成泡沫芯材与上述纤维增强铝合金层板的单侧粘接，粘接后纤维增强铝合金层板成为夹芯结构的下面板；e.以已成型的上述半成品为阳模，在泡沫芯材的另一面粘接一层铝合金薄板；f.以步骤a相同的方法，逐层铺放高强玻璃纤维预浸料和铝合金薄板，以形成结构的上面板；g.对通过上述步骤成型的夹芯结构通过真空辅助模压工艺或热压罐工艺进行固化成型。
对于结构的表面曲率变化不大的部件(如地板等平板结构)，本发明提供简化的一次共固化成型方法，包括如下步骤：a.根据铺层设计结果，在单面阳模上，通过高强玻璃纤维预浸料与铝合金薄板逐层铺设的方式分别完成用作结构上、下面板的纤维增强铝合金层板的铺层；当大面积构件尺寸超出铝合金薄板的幅宽时，在需要连接处采取单元层间错位搭接的方式完成大面积层板的整体成型；b.根据所需厚度完成对板状芯材的切割；c.将步骤a中完成铺层的上、下面板与芯材进行粘接；d.对步骤c形成的夹芯结构整体通过真空辅助模压工艺或热压罐工艺进行固化成型，或者用真空袋包裹整个结构，抽真空后放入烘箱进行热固化。
本发明由于采用纤维增强铝合金面板替代原有的普通铝合金面板，从而可以在层板内部通过错位拼接的形式实现大型面板的连续性。这样可以减少进行面板铆接必将带来的结构重量增加和对材料疲劳性能的影响。对于需要厚面板的部件，尤其是表面形状较复杂的部件，可以通过铝合金层与玻璃纤维增强层反复叠层的方法达到设计厚度，并可实现面板的连续变厚度设计。
由于纤维增强铝层板的轻质高强、高疲劳性能、高冲击损伤容限，在磁浮车的疲劳关键部位、易受颗粒撞击区域和连接区域采用本发明可提高结构的疲劳和冲击性能，降低结构的寿命周期费用。
由于玻璃纤维增强铝合金层板比纯铝合金板的耐燃烧性能好，从而可以保证在更长的燃烧时间内泡沫夹芯结构不丧失强度。
附图说明
图1是本发明的纤维增强金属层板-泡沫夹芯复合材料结构的示意图；
图2是本发明的3/2型玻璃纤维增强铝合金层板面板的错层搭接图。
其中1为泡沫芯材；2为玻璃纤维增强铝合金层板面板；3为高强玻璃纤维增强环氧树脂层板；4为铝合金薄板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
本发明的高速列车用复合材料结构如图1所示，可分为上下玻璃纤维增强铝合金层板面板2和夹在上下玻璃纤维增强铝合金层板面板2间的泡沫芯材1两部分。上下玻璃纤维增强铝合金层板面板2在结构中主要承担由弯矩引起的拉伸与压缩载荷，并保护内部的泡沫塑料不受外界冲击损伤。两者通过胶粘剂的作用，结合为一体，共同承担荷载，协同工作。泡沫芯材1在结构中的作用是承担剪切载荷，并分隔面板，提高结构抵抗弯曲变形的能力，同时支撑面板，防止薄板受压屈曲破坏。
本发明的上下面板为玻璃纤维增强铝合金层板面板2(如图2所示)。玻璃纤维增强铝合金层板面板2为铝合金薄板4与高强玻璃纤维增强环氧树脂(Glass Fiber Reinforced Polymer/GFRP)层板3交替叠层而形成的夹层结构。玻璃纤维增强铝合金层板面板2上下表面为铝合金薄板4。上下表面之间铝合金薄板4与高强玻璃纤维增强环氧树脂(GFRP)层板3交替出现。
单层铝合金薄板4厚度为0.2-0.5mm，拉伸强度大于350MPa；高强玻璃纤维增强环氧树脂(GFRP)层板3的单层厚度为0.1-0.15mm，高强玻璃纤维模量大于83GPa。玻璃纤维增强铝合金层板面板2中的高强玻璃纤维增强环氧树脂(GFRP)层板3可以根据对材料各方向性能的不同需要，调整个单向纤维的铺设角，进行纤维铺层设计。而且，铝合金薄板4和高强玻璃纤维增强环氧树脂(GFRP)层板3各自的厚度，高强玻璃纤维增强环氧树脂(GFRP)层板3的纤维体积含量，铝合金薄板4和高强玻璃纤维增强环氧树脂(GFRP)层板3的层数等因素均可根据需要进行调整。
泡沫芯材1采用硬质泡沫塑料，如聚醚酰亚胺(PEI)泡沫，聚甲基丙烯酰亚胺泡沫(PMI)泡沫，或交联聚氯乙烯(PVC)泡沫塑料等聚合物材料，厚度为15mm-60mm之间。面板与芯材之间的胶粘剂可选用环氧树脂、聚氨酯树脂、乙烯基酯树脂、丙烯酸酯类树脂等结构胶粘剂。
本发明的制造方法包括以下步骤：
a.根据铺层设计结果，在单面阳模上，通过高强玻璃纤维预浸料与铝合金薄板4逐层铺设的方式完成玻璃纤维增强铝合金层板的铺层；当大面积构件尺寸超出铝合金薄板4的幅宽时，在需要连接处采取单元层间错位搭接的方式完成大面积层板的整体成型；
b.选用真空辅助模压工艺或热压罐工艺完成上述纤维增强铝合金层板的成型；亦可用真空袋包裹整个结构，抽真空后放入烘箱进行热固化；
c.以已成型的玻璃纤维增强铝合金层板为阳模，完成泡沫芯材的找型、加工；
d.完成泡沫芯材与上述纤维增强铝合金层板的单侧粘接，粘接后纤维增强铝合金层板成为夹芯结构的下面板；
e.以已成型的上述半成品为阳模，在泡沫芯材的另一面粘接一层铝合金薄板；
f.以步骤a相同的方法，逐层铺放高强玻璃纤维预浸料和铝合金薄板，以形成结构的上面板；
g.对通过上述步骤成型的夹芯结构通过真空辅助模压工艺或热压罐工艺进行固化成型。
这种方式可以避免在热成型曲面构件时因热应力造成变形，从而对面板和泡沫芯材的粘接效果产生不良影响，实现大曲率车身结构成型。
对于平面构件的成型，可采用上下面板的铺层及与芯材的粘接一次完成，然后整体固化成型的简化工艺路径，包括如下步骤：
a.根据铺层设计结果，在单面阳模上，通过高强玻璃纤维预浸料与铝合金薄板逐层铺设的方式分别完成用作结构上、下面板的纤维增强铝合金层板的铺层；当大面积构件尺寸超出铝合金薄板的幅宽时，在需要连接处采取单元层间错位搭接的方式完成大面积层板的整体成型；
b.根据所需厚度完成对板状芯材的切割；
c.将步骤a中完成铺层的上、下面板与芯材进行粘接；
d.对步骤c形成的夹芯结构整体通过真空辅助模压工艺或热压罐工艺进行固化成型，或者用真空袋包裹整个结构，抽真空后放入烘箱进行热固化。
实施例一车头下部结构中的地板盖
用本发明的纤维增强铝面板泡沫夹芯结构制造这些地板盖。采用3/2铺层的玻璃纤维增强铝合金层板面板2为上面板，板中含三层各0.3mm厚的铝合金薄板4和两层各0.2mm厚的高强玻璃纤维增强环氧树脂(GFRP)层板3，其总厚度为1.3mm；4/3铺层的玻璃纤维增强铝合金层板面板2为下面板，板中含四层各0.3mm厚的铝合金薄板4和三层各0.2mm厚的高强玻璃纤维增强环氧树脂(GFRP)层板3，其总厚度为2mm。这样可以得到满足结构性能要求而抗冲击性能更优的制品。
Claims (10)
1、一种高速列车用复合材料结构，其特征在于：由上下两层玻璃纤维增强铝合金层板面板和夹在所述面板之间的泡沫芯材组成；而且所述上下两层玻璃纤维增强铝合金层板面板和所述泡沫芯材之间通过胶粘剂进行粘接。
2、如权利要求1所述的高速列车用复合材料结构，其特征在于：所述玻璃纤维增强铝合金层板面板为由铝合金薄板与高强玻璃纤维增强环氧树脂层板交替叠层而形成的夹层结构；且所述玻璃纤维增强铝合金层板面板的上下表面为铝合金薄板。
3、如权利要求2所述的高速列车用复合材料结构，其特征在于：所述铝合金薄板的厚度为0.2-0.5mm，拉伸强度大于350MPa；所述高强玻璃纤维增强环氧树脂层板的单层厚度为0.1-0.15mm，玻璃纤维模量大于83GPa。
4、如权利要求1所述的高速列车用复合材料结构，其特征在于：所述泡沫芯材为硬质泡沫塑料。
5、如权利要求1所述的高速列车用复合材料结构，其特征在于：所述泡沫芯材为聚醚酰亚胺，聚甲基丙烯酰亚胺，或交联聚氯乙烯泡沫塑料。
6、如权利要求1所述的高速列车用复合材料结构，其特征在于：所述泡沫芯材的厚度为15mm-60mm之间。
7、如权利要求1所述的高速列车用复合材料结构，其特征在于：所述胶粘剂为结构胶粘剂。
8、如权利要求1所述的高速列车用复合材料结构，其特征在于：所述胶粘剂为环氧树脂、聚氨酯树脂、乙烯基酯树脂或丙烯酸酯树脂。
9、权利要求1所述的高速列车用复合材料结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.根据铺层设计结果，在单面阳模上，通过高强玻璃纤维预浸料与铝合金薄板逐层铺设的方式完成纤维增强铝合金层板的铺层；当大面积构件尺寸超出铝合金薄板的幅宽时，在需要连接处采取单元层间错位搭接的方式完成大面积层板的整体成型；
b.选用真空辅助模压工艺或热压罐工艺完成上述纤维增强铝合金层板的成型；亦可用真空袋包裹整个结构，抽真空后放入烘箱进行热固化；
c.以已成型的纤维增强铝合金层板为阳模，完成泡沫芯材的找型、加工；
d.完成泡沫芯材与上述纤维增强铝合金层板的单侧粘接，粘接后纤维增强铝合金层板成为夹芯结构的下面板；
e.以已成型的上述半成品为阳模，在泡沫芯材的另一面粘接一层铝合金薄板；
f.以步骤a相同的方法，逐层铺放高强玻璃纤维预浸料和铝合金薄板，以形成结构的上面板；
g.对通过上述步骤成型的夹芯结构通过真空辅助模压工艺或热压罐工艺进行固化成型。
10、权利要求1所述的高速列车用复合材料结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.根据铺层设计结果，在单面阳模上，通过高强玻璃纤维预浸料与铝合金薄板逐层铺设的方式分别完成用作结构上、下面板的纤维增强铝合金层板的铺层；当大面积构件尺寸超出铝合金薄板的幅宽时，在需要连接处采取单元层间错位搭接的方式完成大面积层板的整体成型；
b.根据所需厚度完成对板状芯材的切割；
c.将步骤a中完成铺层的上、下面板与芯材进行粘接；
d.对步骤c形成的夹芯结构整体通过真空辅助模压工艺或热压罐工艺进行固化成型，或者用真空袋包裹整个结构，抽真空后放入烘箱进行热固化。
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