CN101342807A - 一种泡沫夹芯整体结构复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种泡沫夹芯整体结构复合材料及其制备方法。该复合材料包括上面层、下面层和泡沫夹芯层，其特征在于泡沫夹芯层为闭孔硬质泡沫材料，且该泡沫夹芯层与上、下面层用缝合线按设计规律缝合为一个整体，并采用树脂传递模塑工艺一次注脂成型；所述上面层和下面层的外表面均平整光滑。该制备方法适用于本发明所述的泡沫夹芯整体结构复合材料，包括以下工序：1.制备泡沫夹芯层；2.制备上、下面层；3.打针孔；4.缝合；5.树脂传递模塑工艺成型。本发明复合材料整体性好，使用寿命长，形状结构尺寸精确，并且力学性能优良。

Description

一种泡沫夹芯整体结构复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术，具体为一种采用缝纫和树脂传递模塑技术(RTM)一次成型的泡沫夹芯整体结构复合材料及其制备方法，国际专利主分类号拟为Int.Cl.B32B 7/00(2006.01)I。

背景技术

泡沫夹芯结构复合材料是由高强度的上、下面层和硬质泡沫夹芯层(中间层)所组成。传统的泡沫夹芯结构复合材料成型工艺是预制胶接成型工艺。该工艺需要分别预先成型所述复合材料的泡沫夹芯层和上、下面层，并分别进行加工修整，再用胶膜将所述芯材和上、下面层粘接固化成为整体夹芯结构复合材料。随着复合材料工艺的不断进步，近年来，研发了真空辅助树脂传递模塑成型技术(Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding，简称VARTM)。该工艺是利用真空使树脂流动，并渗透到中间夹有泡沫芯层的上、下面层纤维中，一次性整体成型的复合材料制备方法。但该工艺方法对树脂反应体系要求苛刻，且所得制品只有一面光滑，质量不理想。无论是传统的预制胶接成型工艺，还是所述的VARTM工艺都存在着以下不足：所得复合材料制品的中间层和上、下面层界面构造单一，容易导致面层与中间层脱胶分层剥离，使得整体夹芯结构复合材料的法向强度和刚度大幅降低，无法正常使用，更不能满足高性能夹芯结构复合材料设计需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，设计一种泡沫夹芯整体结构复合材料及其制备方法，该复合材料整体性好，不会分层脱落，使用寿命长，并且力学性能优良，形状结构尺寸精确，上、下面层的外表面均平整光滑；该制备方法工艺简单，环境污染小，生产效率高，成本相对较低。

本发明解决所述复合材料技术问题的技术方案是：设计一种泡沫夹芯整体结构复合材料，该复合材料包括上面层、下面层和泡沫夹芯层，其特征在于所述的泡沫夹芯层为闭孔硬质泡沫材料，且该泡沫夹芯层与上面层和下面层用缝合线按设计规律缝合为一个整体，并采用树脂传递模塑工艺一次注脂成型；所述上面层和下面层的外表面均平整光滑。

本发明解决所述制备方法技术问题的技术方案是：设计一种泡沫夹芯整体结构复合材料的制备方法，该制备方法适用于本发明所述的泡沫夹芯整体结构复合材料，包括以下工序：

1.制备泡沫夹芯层

按照常规闭孔硬质泡沫材料的制备工艺，制备复合材料泡沫夹芯层；所述泡沫夹芯层是聚氨酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酰亚胺和聚醚酰亚胺等中的一种。

2.制备上、下面层

按照常规纺织方法制备高性能纤维材料织物的上面层和下面层；所述高性能纤维材料是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和高强聚乙烯纤维等中的一种；所述的织物是指多轴向织物、经编织物、纬编织物、缝合织物、针织物以及二维和三维编织织物等中的一种。

3.打针孔

用打孔机在所述泡沫夹芯层上按照设计规律垂直打针孔，针孔的直径与缝合线的直径相匹配；针孔密度为4000-9000孔/每平方米；所述设计规律(即缝合的行距和针距)为四边形、对角四边形和六边形中的一种。

4.缝合

在所述泡沫夹芯层的两侧，分别铺放厚度均为0.8-1.2mm的上、下面层织物，利用缝合线垂直穿过上面层织物、所述泡沫夹芯层的针孔和下面层织物，将泡沫夹芯层与上、下面层缝合为一个整体，形成泡沫夹芯整体结构复合材料预成型体；所述的缝合线是指卡夫拉纤维、碳纤维和玻璃纤维等制成的纱线中的一种；缝合方式为锁式缝合，改进锁式缝合或链式缝合；缝合密度为4000-9000根/每平方米。

5.树脂传递模塑工艺成型

将所述的泡沫夹芯整体结构复合材料预成型体放入模具中，模具内腔高度为所述夹芯层和上、下面层厚度之和；合模密封后，注入树脂，使上、下面层和缝合线充分浸渍树脂，固化脱膜后，即得到本发明的泡沫夹芯整体结构复合材料；所述的树脂采用不饱和树脂、乙烯基树脂、改性酚醛树脂和环氧树脂等中一种。

与现有技术相比，本发明将RTM工艺与纤维缝纫技术相结合，应用于泡沫夹芯结构复合材料的制备中，所得泡沫夹芯整体结构复合材料制品的两个外表面均平整光滑，形状结构尺寸精确，且弯曲、平压和耐冲击等力学性能大幅度提高，穿透在面层与夹芯层之间的缝合线、且浸透树脂后，作为纤维增强体可以明显提高上、下面层与中间层之间的抗剥离强度，整体性能优良。本发明的制备方法工艺简单，环境污染小，生产效率高，无需特殊设备，模具投资少，适于制造复杂结构形状的制品并可一次成型，且所得复合材料产品质量优良。

在申请人检索的范围内，本发明的泡沫夹芯结构复合材料及其制备方法没见有相关文献报道。

附图说明

图1为本发明泡沫夹芯结构复合材料一种实施例的侧视示意图(图1中的小圆圈象征性地代表闭孔硬质泡沫夹芯层中的闭孔结构)；

图2为本发明泡沫夹芯结构复合材料一种实施例的俯视示意图；

图3为本发明泡沫夹芯结构复合材料一种为四边形的缝合式样实施例示意图；

图4为本发明泡沫夹芯结构复合材料一种为对角四边形的缝合式样实施例示意图；

图5为本发明泡沫夹芯结构复合材料一种为六边形的缝合式样实施例示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明。实施例不限制本发明权利要求。

本发明设计的一种泡沫夹芯整体结构复合材料(以下简称复合材料，参见图1-3)，，该复合材料包括上面层2、下面层3和泡沫夹芯层1，其特征在于所述的泡沫夹芯层1为闭孔硬质泡沫材料，且该泡沫夹芯层1与上面层2和下面层3用缝合线4按设计规律缝合为一个整体，并采用树脂传递模塑工艺一次注脂成型，所述上面层2和下面层3的外表面均平整光滑。

本发明的进一步特征是所述的上面层2和下面层3采用高性能纤维材料织物制造；所述高性能纤维材料是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和高强聚乙烯纤维中的一种；所述的织物是指多轴向织物、经编织物、纬编织物、缝合织物、针织物以及二维和三维编织织物中的一种；所述的缝合线4是指卡夫拉纤维、碳纤维和玻璃纤维制成的纱线中的一种；所述的设计规律为四边形、对角四边形和六边形中的一种。

本发明同时设计了所述复合材料的制备方法，该制备方法适用于本发明所述的泡沫夹芯整体结构复合材料，包括以下工序：

1.制备泡沫夹芯层

按照常规闭孔硬质泡沫材料的制备工艺，制备复合材料泡沫夹芯层1，所述泡沫夹芯层1是聚氨酯(PU)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)和聚醚酰亚胺(PEI)等材料中的一种。本发明之所以选用闭孔硬质泡沫材料而不像传统技术一样选用蜂窝泡沫材料做夹芯层，其目的在于，闭孔硬质泡沫材料的抗湿热性能优于蜂窝，可以采用树脂传递模塑技术成型，不吸胶，还可以采用缝纫等多种技术手段增强，实现无紧固连接和整体成型，减少零件数量，提高结构效率，易于加工复杂构型部件。闭孔硬质泡沫材料的制备工艺本身为现有技术。

2.制备上面层和下面层

按照常规纺织方法制备复合材料的上面层2和下面层3。所述的上面层2和下面层3采用高性能纤维材料织物制造。所述高性能纤维材料是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和高强聚乙烯纤维等中的一种；所述的织物是指多轴向织物、经编织物、纬编织物、缝合织物、针织物以及二维和三维编织织物等中的一种。所述的上面层2和下面层3可以选用相同的高性能纤维材料织物，也可以选用不同的高性能纤维材料织物。所述的高性能纤维材料织物制备方法本身为现有技术。实践中，可以直接选用现有的高性能纤维材料织物，也可以定制所述的高性能纤维材料织物。

3.打针孔

用打孔机在所述的泡沫夹芯层1上按照设计规律(即缝合的行距和针距)垂直打针孔。针孔的直径与缝合线4的直径相匹配；打针孔的密度为4000-9000孔/每平方米。所述设计规律(或缝合式样)实施例优选四边形、对角四边形和六边形中的一种(参见图3-5)。

4.缝合

在所述泡沫夹芯层1的两侧，分别铺放厚度均为0.8-1.2mm(设计层数1-2层)的上面层2和下面层3，利用缝合线4穿过上面层织物2、所述泡沫夹芯层1的针孔和下面层织物3，将泡沫夹芯层1与上、下面层缝合连接为一体，形成泡沫夹芯整体结构复合材料预成型体。所述的缝合线4是指卡夫拉(Kevlar)纤维、碳纤维和玻璃纤维等制成的纱线中的一种；缝合方式采用锁式缝合，改进锁式缝合和链式缝合中的一种；与打针孔垂直于泡沫夹芯层一样，缝合时缝合线4要垂直于上面层2和下面层3；缝合密度与打孔密度一致，也为4000-9000根/每平方米。随着每平方米竖直穿透缝合线根数的增加，泡沫夹芯结构的力学性能也会随之增加。不同的缝合密度，会使泡沫夹芯复合材料具有不同的承载能力。根据产品设计的需要，选择适当的缝合密度，可以用最低的消耗成本获得最佳的成品质量。

5.树脂传递模塑工艺(RTM)成型

将所述的泡沫夹芯整体结构复合材料胎体放入模具中，模具内腔高度为中间层和上、下面层厚度之和；合模密封后，注入树脂，使上、下面层和缝合线充分浸渍树脂，由于所述泡沫夹芯层是闭孔结构，因而不会渗透树脂，固化脱膜后，即得到本发明缝合增强的泡沫夹芯整体结构复合材料。所述的树脂可采用不饱和树脂、乙烯基树脂、改性酚醛树脂和环氧树脂等中一种。

本发明制备方法所得的复合材料整体性良好，两个外表面均平整光滑，形状结构尺寸精确，且弯曲、平压和耐冲击等力学性能大幅度提高，能够适用于航空航天、国防装备以及隐身和智能化等多类高技术产品领域里。

本发明未述及之处适用于现有技术。

下面给出本发明的具体实施例：

实施例1

设计复合材料的上、下面层均为双轴向Kevlar纤维平纹织物，夹芯层为硬质闭孔聚氨酯(PU)泡沫，RTM成型工艺选用环氧树脂。其制备方法如下：

1.硬质闭孔聚氨酯(PU)泡沫夹芯层的制备

按重量配比，称取液体发泡原料，经高速搅拌，待物料膨胀发白后，迅速将其倒入发泡模具中，等物料涨满模具熟化后脱模，即得泡沫夹芯层。

模具(长×宽×高)尺寸为：250×200×17(mm)。

2.上、下纤维面层的制备

直接选用双轴向Kevlar纤维平纹织物。

3.打针孔

用打孔机在泡沫芯材上按照针距×行距为15×15(mm)钻针孔，针孔的直径为1.1mm。针孔密度为每平方米竖直穿透缝合线6400根。

4.缝合

在泡沫芯材的两侧，分别铺放一层Kevlar纤维制造的双轴向织物，利用缝纫技术将泡沫芯材与上、下Kevlar纤维布层连接在一起，形成整体夹芯结构复合材料预成型体。缝合线采用178tex的Kevlar纤维，缝合方式采用改进锁式缝合，缝合式样为四边形(参见图3)，缝合线的针距×行距为15×15mm，缝合线垂直上、下面层缝合。

5.树脂传递模塑工艺(RTM)成型

将缝合好的复合材料预成型体放入模具中，模腔高度为泡沫夹芯层和上、下面层之和。密封合模后，注入环氧树脂，使上、下面层和缝合线充分浸渍树脂，而泡沫芯层由于是闭孔结构，不会渗透树脂，固化脱膜后，即得到本发明缝合增强的泡沫夹芯结构复合材料。

经测试，本实施例的缝合泡沫夹芯复合材料与未缝合的常规泡沫夹芯复合材料对比实验结果如表1所示：

表1未缝合与缝合泡沫夹层结构三点弯曲与平压性能试验结果

从表2的数据可以看出，本发明缝合泡沫夹芯复合材料的力学性能得到了大幅提高。

实施例2

设计复合材料的上、下面层均为纬编高强聚乙烯织物，夹芯层为硬质闭孔聚氨酯(PU)泡沫，RTM成型工艺选用乙烯基树脂。其制备方法如下：

1.硬质闭孔聚氨酯(PU)泡沫芯材的制备

按重量配比，称取液体发泡原料，经高速搅拌，待物料膨胀发白后，迅速将其倒入发泡模具中，等物料涨满模具熟化后脱模，即可得泡沫芯材。

模具(长×宽×高)尺寸(mm)：250×200×17mm。

2.纤维面层的制备

直接选用纬编高强聚乙烯织物。

3.打针孔

用打孔机在泡沫芯材上按照针距×行距为15×10(mm)钻针孔，针孔的直径为1.2mm。针孔密度为每平方米竖直穿透缝合线8500根。

4.缝合

在泡沫芯材的两侧，分别铺放一层纬编高强聚乙烯织物，利用缝纫技术将泡沫芯材与上、下纬编高强聚乙烯纤维布层连接在一起，形成整体夹芯结构复合材料预成型体。缝纫线采用356tex的Kevlar纤维，缝合方式采用改进锁式缝合，缝合式样为四边形(参见图3)，缝合线的针距×行距为15×10(mm)，缝合线垂直上、下面层缝合。

5.树脂传递模塑工艺(RTM)成型

将缝合好的复合材料预成型体放入模具中，模腔高度为泡沫夹芯层和上、下面层之和。密封合模后，注入乙烯基树脂，使上、下面层和缝合线充分浸渍树脂，而泡沫芯层由于是闭孔结构，不会渗透树脂，固化脱膜后，即得到本发明缝合增强的泡沫夹芯结构复合材料。

经测试，本实施例的缝合泡沫夹芯复合材料与未缝合的常规泡沫夹芯复合材料对比实验结果如表2所示：

表2未缝合与缝合泡沫夹层结构CAI试验结果

从表2的数据可以看出，本发明缝合泡沫夹芯复合材料的力学性能得到了大幅提高。

Claims (3)

1.一种泡沫夹芯整体结构复合材料，该复合材料包括上面层、下面层和泡沫夹芯层，其特征在于所述的泡沫夹芯层为闭孔硬质泡沫材料，且该泡沫夹芯层与上面层和下面层用缝合线按设计规律缝合为一个整体，并采用树脂传递模塑工艺一次注脂成型，所述上面层和下面层的外表面均平整光滑。

2.根据权利要求1所述的泡沫夹芯整体结构复合材料，其特征在于所述的上面层和下面层采用高性能纤维材料织物制造；所述高性能纤维材料是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和高强聚乙烯纤维中的一种；所述的织物是指多轴向织物、经编织物、纬编织物、缝合织物、针织物以及二维和三维编织织物中的一种；所述的缝合线是指卡夫拉纤维、碳纤维和玻璃纤维制成的纱线中的一种；所述的设计规律为四边形、对角四边形和六边形中的一种。

3.一种泡沫夹芯整体结构复合材料的制备方法，该制备方法适用于权利要求1所述的泡沫夹芯整体结构复合材料，包括以下工序：

(1).制备泡沫夹芯层

按照常规闭孔硬质泡沫材料的制备工艺，制备复合材料泡沫夹芯层；所述泡沫夹芯层是聚氨酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酰亚胺和聚醚酰亚胺材料中的一种；

(2).制备上、下面层

按照常规纺织方法制备高性能纤维材料织物的上、下面层；所述高性能纤维材料是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和高强聚乙烯纤维中的一种；所述的织物是指多轴向织物、经编织物、纬编织物、缝合织物、针织物以及二维和三维编织织物中的一种；

(3).打针孔

用打孔机在所述泡沫夹芯层上按照设计规律垂直打针孔，针孔的直径与缝合线的直径相匹配；针孔密度为4000-9000孔/每平方米；所述设计规律为四边形、对角四边形和六边形中的一种；

(4).缝合

在所述泡沫夹芯层的两侧，分别铺放厚度为0.8-1.2mm的上面层织物和下面层织物，利用缝合线垂直穿过上面层织物、所述的针孔和下面层织物，将泡沫夹芯层与上、下面层缝合为一个整体，形成泡沫夹芯整体结构复合材料预成型体；所述的缝合线是指卡夫拉纤维、碳纤维和玻璃纤维制成的纱线中的一种；缝合方式为锁式缝合，改进锁式缝合或链式缝合；缝合密度为4000-9000根/每平方米；

(5).树脂传递模塑工艺成型

将所述的泡沫夹芯整体结构复合材料预成型体放入模具中，模具内腔高度为所述夹芯层和上、下面层厚度之和；合模密封后，注入树脂，使上、下面层和缝合线充分浸渍树脂，固化脱膜后，即得到本发明的泡沫夹芯整体结构复合材料；所述的树脂采用不饱和树脂、乙烯基树脂、改性酚醛树脂和环氧树脂中一种。

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