CN102653133A - 一种预浸织物的折叠结构及其成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种预浸织物的折叠结构及其成型方法，属于复合材料及其成型技术领域。本发明通过将预浸了热固性树脂的织物手工或机械压制折痕，进行折叠后预固化拉伸，形成单元格和折叠角参数可变的折叠结构。该结构具有多层次、轻量化、参数设计性强、三维刚度可调、整体结构通透的特点，且选材自由，制备工艺简单，是一种新型的结构化的复合材料结构或其夹芯材料，可广泛应用于轻质、双向加强、抗损毁的结构。

Description

一种预浸织物的折叠结构及其成型方法
技术领域
本发明属于复合材料及其成型技术领域，涉及一种预浸织物的折叠结构及其成型方法。
背景技术
夹芯“三明治”(Sandwich)结构是由两块高强度的上下蒙皮和充填其中的轻质芯材所组成。夹芯结构一般是通过粘结剂将上下蒙皮和芯材粘结成整体，或直接通过模压或注塑获得。在受力特征上，当夹芯结构承受弯曲载荷时，上蒙皮被拉伸，下蒙皮被压缩，芯材传递剪切力。从力学角度分析，夹芯结构与工字梁相似，上下蒙皮相当于工字梁的上下凸缘，芯材相当于工字梁的腹板。与工字梁不同的是，夹芯结构中的芯材与面板不是同一种性质的材料，芯材是分散的，而不是集中在腹板上。由于轻质芯材的高度比面板高出几倍，剖面的惯性距随之成四次方比增大，因而夹芯结构有芯材的支持稳定性大幅提升。在此类结构中，面板可以很薄，与实心结构相比要轻得多且刚度大，减重效果极为明显，因而是一种高效的结构材料。此类结构目前已被广泛应用于航空、航天、船舶、汽车及建筑等领域。
蜂窝夹芯结构是目前应用最为广泛的夹芯结构，蜂窝芯材的力学性能不仅与其材料相关，而且与其几何形状密切相关。根据芯材的几何形状，蜂窝芯材可以分为六边形蜂窝、菱形蜂窝、矩形蜂窝、五角形蜂窝等；根据蜂窝芯材的材料，蜂窝可以分为纸蜂窝、金属蜂窝、聚合物蜂窝、陶瓷蜂窝等新型人造蜂窝。蜂窝夹芯结构自问世以来，由于其具有比刚度大、比强度高等优异的力学性能，因而在航空航天等诸多高端领域得到较为广泛的应用。
但随着对飞机经济性和安全性要求的提高，蜂窝结构的一些缺点也慢慢凸显。首先，蜂窝结构的制备工艺复杂，环境污染大，工艺成本和资源成本较高。以航空级纸蜂窝制备为例，其一般的工艺为：卷纸上架-联机-设备(烘箱)升温-调节胶条状态-刷胶-收纸-热压粘接-拉伸-浸胶-固化-修边切割-检验-成品，该工艺流程长，且在浸胶过程中需要使用溶剂，环境污染大。其次，蜂窝与面板的粘接强度不高，全寿命耐久性性较差，结构的维护成本高。最后，由于蜂窝结构一般为闭合的结构，即结构不通透，此类结构在使用过程中一旦破损容易产生积水，造成材料性能急剧劣化，结构承载效能降低。
发明内容
本发明的目的是设计并制备一种环境污染小、工艺成本和资源成本较低、在使用过程中一旦破损不易产生积水的预浸织物的折叠结构及其成型方法。
本发明的技术方案是：
所述的一种预浸织物的折叠结构及其成型方法，其特征在于，该预浸织物折叠结构的制备步骤如下：
(1)准备预浸织物，预浸织物由织物和热固性树脂组成，织物可以为：碳纤维织物、玻璃纤维织物、芳纶纤维织物、植物纤维织物或混杂纤维织物，织物的形式可为：平纹织物、斜纹织物或缎纹织物，热固性树脂为：环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂，氰酸酯树脂或苯并噁嗪树脂，织物的面密度为10g/m2至1000g/m2，织物中树脂的重量百分数为30％至50％；
(2)压制折痕，根据经向单元格尺寸和纬向单元格尺寸，手工或机械压制折痕，折痕包括：斜向下折痕，斜向上折痕，经向上折痕和经向下折痕；
(3)织物折叠，在织物的经向和纬向施加压力，使织物沿上折痕向上折叠，沿下折痕向下折叠，形成折叠体；
(4)折叠体预固化，将折叠体在烘箱或烘道中进行预固化，使折叠体中树脂的预固化度不大于0.1至0.5，预固化后预浸织物的玻璃化转变温度为T1；
(5)调整折叠结构参数，将预固化的预浸织物加热到T1以上5℃至10℃，在预固化后的预浸织物的经向和纬向施加拉力，调整折叠结构的经向夹角和纬向夹角，经向夹角的范围为5度至85度，纬向夹角的范围为5度至85度；
(6)折叠结构固化，将调整完参数的织物预浸结构在模具或其它预加张力的设备上按树脂原有固化工艺固化，获得预浸织物折叠结构。
所述的一种预浸织物的折叠结构及其成型方法，其特征在于，经向单元格的尺寸为5mm至5000mm，纬向单元格的尺寸为5mm至5000mm，经向单元格与纬向单元格的尺寸比例为1∶20至20∶1。
所述的一种预浸织物的折叠结构及其成型方法，其特征在于，折叠结构可以是经向单元格尺寸、纬向单元格尺寸、经向夹角和纬向夹角相同的多层折叠结构的叠合结构。
所述的多层折叠结构的叠合结构，其特征在于，多层折叠结构的叠合结构可采用共固化或共胶结的工艺制备，共固化需要施加0.1MPa至0.7MPa的压力，共胶结选用其最终玻璃化转变温度大于预浸织物中树脂最终玻璃化转变温度5℃以上的胶膜。
本发明的优点是：
本发明的结构设计特点及结构优点在于，它通过将预浸了热固性树脂的织物手工或机械压制折痕，进行折叠后预固化拉伸，形成单元格和折叠角参数可变的折叠结构。该结构因由折叠工艺制备而具有多层次、轻量化的特性。另一方面，因单元格和折叠角参数可设计，具有设计性强、三维刚度可调的特点。从整体上将，该结构整体通透，且选材自由，制备工艺简单，是一种新型的结构化的复合材料结构或其夹芯材料，可广泛应用于轻质、双向加强、抗损毁的结构。
本发明提出的一种预浸织物的折叠结构及其成型方法，其基本思想是从平面预浸织物出发，通过简单的折叠变形工艺而形成一种三向均有可调刚度的结构。该折叠变形工艺适用于各种易于变形折叠的预浸织物，同时能提供广阔的结构参数及性能调整空间。更重要的是，这种折叠工艺形成的结构具有整体通透的特点，可以有效解决结构服役过程中因破损积水而导致的安全性降低的问题。
附图说明
图1是本发明折痕示意图；
图2是本发明完成折叠折痕的单元格示意图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。本发明一种预浸织物的折叠结构及其成型方法，其制备步骤如下：
(1)准备预浸织物，预浸织物由织物和热固性树脂组成，织物可以为：碳纤维织物、玻璃纤维织物、芳纶纤维织物、植物纤维织物或混杂纤维织物，织物的形式可为：平纹织物、斜纹织物或缎纹织物，热固性树脂为：环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂，氰酸酯树脂或苯并噁嗪树脂，织物的面密度为10g/m2至1000g/m2，织物中树脂的重量百分数为30％至50％；
(2)压制折痕，根据经向单元格尺寸1和纬向单元格尺寸2，手工或机械压制折痕，折痕包括：斜向下折痕3，斜向上折痕4，经向上折痕5和经向下折痕6；
(3)织物折叠，在织物的经向和纬向施加压力，使织物沿上折痕向上折叠，沿下折痕向下折叠，形成折叠体；
(4)折叠体预固化，将折叠体在烘箱或烘道中进行预固化，使折叠体中树脂的预固化度不大于0.1至0.5，预固化后预浸织物的玻璃化转变温度为T1；
(5)调整折叠结构参数，将预固化的预浸织物加热到T1以上5℃至10℃，在预固化后的预浸织物的经向和纬向施加拉力，调整折叠结构的经向夹角7和纬向夹角8，经向夹角7的范围为5度至85度，纬向夹角的范围为5度至85度；
(6)折叠结构固化，将调整完参数的织物预浸结构在模具或其它预加张力的设备上按树脂原有固化工艺固化，获得预浸织物折叠结构。
本发明通过将预浸了热固性树脂的织物手工或机械压制折痕，进行折叠后预固化拉伸，形成单元格和折叠角参数可变的折叠结构。该结构具有多层次、轻量化、参数设计性强、三维刚度可调、整体结构通透的特点，且选材自由，制备工艺简单，是一种新型的结构化的复合材料结构或其夹芯材料，可广泛应用于轻质、双向加强、抗损毁的结构。
实施例1：
采用CF3031/5228A碳纤维织物预浸料制备单层折叠结构，其具体步骤如下：
(1)准备CF3031/5228A预浸织物：采用热溶法制备CF3031/5228A碳纤维预浸织物，碳纤维织物的面密度为220g/m2，织物中环氧5228A的重量百分数为38％。
(2)压制折痕，将经向和纬向单元格尺寸分别设定为50mm和60mm，按图1的模式手工压制斜向下折痕、斜向上折痕、经向上折痕和经向下折痕。
(3)织物折叠，在织物的经向和纬向施加压力，使织物沿上折痕向上折叠，沿下折痕向下折叠，形成折叠体。
(4)折叠体预固化，将折叠体在烘箱中130℃预固化1小时，使折叠体中树脂的预固化度不大于0.2，预固化后预浸织物的玻璃化转变温度为75℃。
(5)调整折叠结构参数，将预固化的碳纤维预浸织物加热到100℃，在预固化后的预浸织物的经向和纬向施加拉力，调整折叠结构的经向夹角为60°，纬向夹角为45°。
(6)折叠结构固化，将调整完参数的织物预浸结构在模具中按180℃/2h的工艺固化，即可获得碳纤维CF3031/5228A织物单层折叠结构。
实施例2：
采用CF3031/5228A碳纤维织物预浸料胶结制备四层折叠结构。
该实施例与实施例1的不同在于按实施例1的(1)至(5)步制备四张尺寸相同的单层折叠结构后，采用SY-14胶膜粘接这四个单层折叠结构，在模具中按180℃/2h的工艺固化加0.3MPa的接触压固化，即可获得CF3031/5228A碳纤维织物预浸料胶结制备的四层折叠结构。
实施例3：
采用CF3031/5228A碳纤维织物预浸料共固化制备四层折叠结构。
该实施例与实施例2的不同在于将折叠体在烘箱中130℃预固化30min，在模具中按180℃/2h的工艺固化加0.6MPa的接触压固化，即可获得CF3031/5228A织物预浸料共固化制备的四层折叠结构。
实施例4：
采用SW280/III型苯并噁嗪树脂玻璃纤维织物预浸料制备单层折叠结构，其具体步骤如下：
(1)准备SW220/III型苯并噁嗪树脂预浸织物：采用热溶法制备SW280/III型苯并噁嗪树脂预浸织物，玻璃纤维织物的面密度为280g/m2，织物中III型苯并噁嗪树脂的重量百分数为50％。
(2)压制折痕，将经向和纬向单元格尺寸分别设定为120mm和150mm，按图1的模式手工压制斜向下折痕、斜向上折痕、经向上折痕和经向下折痕。
(3)织物折叠，在织物的经向和纬向施加压力，使织物沿上折痕向上折叠，沿下折痕向下折叠，形成折叠体。
(4)折叠体预固化，将折叠体在烘箱中150℃预固化20min，使折叠体中树脂的预固化度不大于0.15，预固化后预浸织物的玻璃化转变温度为90℃。
(5)调整折叠结构参数，将预固化的玻璃纤维预浸织物加热到110℃，在预固化后的预浸织物的经向和纬向施加拉力，调整折叠结构的经向夹角为40°，纬向夹角为75°。
(6)折叠结构固化，将调整完参数的织物预浸结构在模具中按185℃/3h的工艺固化，即可获得SW280/III型苯并噁嗪树脂玻璃纤维织物单层折叠结构。
实施例5：
采用SW280/III型苯并噁嗪树脂玻璃纤维织物胶结制备双层折叠结构。
该实施例与实施例4的不同在于按实施例4的(1)至(5)步制备两张尺寸相同的单层折叠结构后，采用SY-14胶膜粘接这两个单层折叠结构，在模具中按185℃/3h的工艺固化加0.2MPa的接触压固化，即可获得SW280/III型苯并噁嗪树脂玻璃纤维织物预浸料胶结制备的双层折叠结构。
实施例6：
采用SW280/III型苯并噁嗪树脂玻璃纤维织物共固化制备双层折叠结构。
该实施例与实施例4的不同在于将折叠体在烘箱中150℃预固化15min，在模具中按185℃/3h的工艺固化加0.5MPa的接触压固化，即可获得SW280/III型苯并噁嗪树脂玻璃纤维织物预浸料共固化制备的双层折叠结构。
实施例7：
采用DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物预浸料制备单层折叠结构，其具体步骤如下：
(1)准备DP328/3233环氧树脂芳纶纤维预浸织物：采用热溶法制备DP328/3233环氧树脂芳纶纤维预浸织物，芳纶纤维织物的面密度为231g/m2，织物中III型苯并噁嗪树脂的重量百分数为43％。
(2)压制折痕，将经向和纬向单元格尺寸分别设定为200mm和300mm，按图1的模式机械压制斜向下折痕、斜向上折痕、经向上折痕和经向下折痕。
(3)织物折叠，在织物的经向和纬向施加压力，使织物沿上折痕向上折叠，沿下折痕向下折叠，形成折叠体。
(4)折叠体预固化，将折叠体在烘箱中80℃预固化30min，使折叠体中树脂的预固化度不大于0.25，预固化后预浸织物的玻璃化转变温度为50℃。
(5)调整折叠结构参数，将预固化的芳纶纤维预浸织物加热到60℃，在预固化后的预浸织物的经向和纬向施加拉力，调整折叠结构的经向夹角为60°，纬向夹角为48°。
(6)折叠结构固化，将调整完参数的织物预浸结构在模具中按125℃/2h的工艺固化，即可获得DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物单层折叠结构。
实施例8：
采用DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物预浸料胶结制备三层折叠结构。
该实施例与实施例4的不同在于按实施例4的(1)至(5)步制备三张尺寸相同的单层折叠结构后，采用SY-24胶膜粘接这三个单层折叠结构，在模具中按125℃/2h的工艺固化加0.35MPa的接触压固化，即可获得DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物预浸料胶结制备的三层折叠结构。
实施例9：
采用DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物预浸料共固化制备三层折叠结构。
该实施例与实施例7的不同在于将折叠体在烘箱中80℃预固化20min，在模具中按125℃/2h的工艺固化加0.55MPa的接触压固化，即可获得DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物预浸料共固化制备的三层折叠结构。

Claims (4)

1.一种预浸织物的折叠结构及其成型方法，其特征在于，该预浸织物折叠结构的制备步骤如下：
(A)准备预浸织物，预浸织物由织物和热固性树脂组成，织物可以为：碳纤维织物、玻璃纤维织物、芳纶纤维织物、植物纤维织物或混杂纤维织物，织物的形式可为：平纹织物、斜纹织物或缎纹织物，热固性树脂为：环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂，氰酸酯树脂或苯并噁嗪树脂，织物的面密度为10g/m2至1000g/m2，织物中树脂的重量百分数为30％至50％；
(B)在织物上压制折痕，根据经向单元格尺寸(1)和纬向单元格尺寸(2)，手工或机械压制折痕，折痕包括：斜向下折痕(3)，斜向上折痕(4)，经向上折痕(5)和经向下折痕(6)；
(C)织物折叠，在织物的经向和纬向施加压力，使织物沿上折痕向上折叠，沿下折痕向下折叠，形成折叠体；
(D)折叠体预固化，将折叠体在烘箱或烘道中进行预固化，使折叠体中树脂的预固化度不大于0.1至0.5，预固化后预浸织物的玻璃化转变温度为T1；
(E)调整折叠结构参数，将预固化的预浸织物加热到T1以上5℃至10℃，在预固化后的预浸织物的经向和纬向施加拉力，调整折叠结构的经向夹角(7)和纬向夹角(8)，经向夹角(7)的范围为5度至85度，纬向夹角(8)的范围为5度至85度；
(F)折叠结构固化，将调整完参数的织物预浸结构在模具或其它预加张力的设备上按树脂原有固化工艺固化，获得预浸织物折叠结构。
2.根据权利要求1所述的一种预浸织物的折叠结构及其成型方法，其特征在于，经向单元格(1)的尺寸为5mm至5000mm，纬向单元格(2)的尺寸为5mm至5000mm，经向单元格(1)与纬向单元格(2)的尺寸比例为1∶20至20∶1。
3.根据权利要求1所述的一种预浸织物的折叠结构及其成型方法，其特征在于，折叠结构是经向单元格(1)尺寸、纬向单元格(2)尺寸、经向夹角(7)和纬向夹角(8)相同的多层折叠结构的叠合结构。
4.根据权利要求1和权利要求3所述的多层折叠结构的叠合结构，其特征在于，多层折叠结构的叠合结构可采用共固化或共胶结的工艺制备，共固化需要施加0.1MPa至0.7MPa的压力，共胶结选用其最终玻璃化转变温度大于预浸织物中树脂最终玻璃化转变温度5℃以上的胶膜。
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