CN102756531A - 一种夹芯为折叠结构的复合材料板及其成型方法 - Google Patents

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张明
益小苏
赵文明
安学锋
刘燕峰
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Abstract

本发明涉及一种夹芯为折叠结构的复合材料板及其成型方法，属于复合材料及其成型技术领域。该发明通过将预固化的折叠夹芯结构与预固化的上下面板共固化，或将完成固化的折叠夹芯结构与预固化的上下面板共胶结，或将完成固化的折叠夹芯结构和完成固化的上下面板二次胶结，形成一种轻量化、三维刚度可调、且整体通透的复合材料平板或曲面板。该复合材料板具有制备工艺简单，且形状适应性强，可广泛应用于质轻且抗冲击损毁的结构。

Description

一种夹芯为折叠结构的复合材料板及其成型方法
技术领域
本发明属于复合材料及其成型技术领域，涉及一种夹芯为折叠结构的复合材料板及其成型方法。
背景技术
复合材料夹芯“三明治”（Sandwich）结构由于其结构合理，质量轻等特点而被广泛使用。
夹芯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，夹芯结构与工字粱相似，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。
以碳纤维、硼纤维复合材料作面板的铝蜂窝、芳纶蜂窝夹芯结构的材料已大量应用于航天、宇航工业中。在建筑工业中，复合材料夹芯板应用于制造墙板、屋顶板和隔音板等，在造船、交通等领域中，复合材料夹芯结构应用也愈来愈广泛。
目前，普遍使用的复合材料夹芯结构主要是通过粘接剂把芯材和面板（蒙皮）粘在一起，形成夹芯板。根据夹层结构所使用的芯材种类和形式的不同，夹层板可分为：泡沫夹层结构，蜂窝夹层结构，梯形板夹层结构。目前，航空航天领域中使用的复合材料夹芯结构以蜂窝夹芯材料为主。单就芯材结构性能而言，蜂窝结构是最合理的结构形式之一，但对于夹芯结构，蜂窝夹芯夹层结构也有和其他夹层结构相同的、不可避免的弱点：（1）面板与芯材之间的粘接性能，削弱了蜂窝夹芯结构的性能，导致夹芯结构的抗剪切、抗剥离、抗平压、抗疲劳等性能较低；（2）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；（3）蜂窝结构的变形特性依赖于其几何参数，当蜂窝的高度增高时，其变形能力将降低；（4）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：本发明的目的是设计并制备一种粘接性能提高、环境污染小、资源成本较低、变形能力强、结构通透的夹芯为折叠结构的复合材料板。
本发明的技术方案是：
该夹芯为折叠结构的复合材料板的制备步骤如下：
（1）准备复合材料上面板1和下面板5，复合材料面板为完全固化的状态或预固化的状态，预固化状态下树脂的固化度不大于0.3；
（2）准备折叠夹芯3，将由纤维织物和热固性树脂组成预浸织物，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，在织物的经向和纬向施加压力，形成折叠体；将折叠体在烘箱或烘道中进行预固化或固化；
（3）完成组装，组装的顺序为如下之一：若复合材料面板及为折叠夹芯3均完全固化的状态，组装的顺序为复合材料下面板（5）、下粘接层4、折叠夹芯3、上粘接层2和上复合材料上面板1，上粘接层2和下粘接层4为胶膜或树脂层；若复合材料上面板1、下面板5和折叠夹芯3均为预固化状态，组装的顺序为：复合材料下面板5、下粘接层4、折叠夹芯3、上粘接层2和上复合材料上面板1或则组装的顺序为：复合材料下面板5、折叠夹芯3和上复合材料上面板1；若复合材料上面板1、下面板5和折叠夹芯3中有两个为预固化状态，则省去两个预固化组件间的粘接层；
（4）完成固化，在组合体的上蒙皮和下蒙皮上施加0.05MPa至0.35MPa的压力，按树脂的固化工艺完成固化，即可得到夹芯为折叠结构的复合材料板。
所述复合材料上面板和下面板及折叠夹芯中的树脂为同一类或同一固化工艺的树脂。
所述复合材料上面板及下面板和折叠夹芯中至少有一组在组装时为固化状态，在固化时，则其它的树脂为同一固化工艺的树脂。
复合材料上面板和下面板及折叠夹芯中的纤维为：碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、织物纤维、高分子量聚乙烯纤维或聚苯并噁嗪纤维，复合材料上面板和下面板及折叠夹芯中的树脂为：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。
上粘接层和下粘接层的胶膜为通用的粘结胶膜，面密度为50g/m2至500g/m2；上粘接层和下粘接层的树脂层为和面板及折叠夹芯相容的热固性树脂。
上面板和下面板的厚度为0.5mm至20mm，折叠夹芯的厚度为0.1至10mm，高度为5mm至1000mm。
上粘接层和下粘接层的厚度为0.05mm至0.5mm。
本发明的优点是：
本发明的结构设计特点及结构优点在于，它通过将预固化的折叠夹芯结构与预固化的上下面板共固化，或将完成固化的折叠夹芯结构与预固化的上下面板共胶结，或将完成固化的折叠夹芯结构和完成固化的上下面板二次胶结，形成一种轻量化、三维刚度可调、且整体通透的复合材料平板或曲面板。该方法通过共固化或胶结形成折叠结构和面板间的粘接层，提高了面板与芯材之间的粘接性能。且带有这种折叠夹芯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。此外，这种复合材料板具有制备工艺简单，且形状适应性强，可广泛应用于质轻且抗冲击损毁的结构。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明夹芯单元格示意图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。本发明一种夹芯为折叠结构的复合材料板及其成型方法，其制备步骤如下：
（1）准备复合材料上面板1和下面板5，复合材料面板为完全固化的状态或预固化的状态，预固化状态下树脂的固化度不大于0.3；
（2）准备折叠夹芯3，折叠夹芯3为完全固化的状态或预固化的状态，预固化状态下树脂的固化度不大于0.3；折叠夹芯3的制备是，将由纤维织物和热固性树脂组成预浸织物，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，在织物的经向和纬向施加压力，形成折叠体；将折叠体在烘箱或烘道中进行预固化或固化；（折叠夹芯的制备方法详见发明名称为《一种预浸织物的折叠结构及其成型方法》专利号201210117040.5）
（3）完成组装，组装的顺序为复合材料下面板5、下粘接层4、折叠夹芯3、上粘接层2和上复合材料上面板1，上粘接层2和下粘接层4为胶膜或树脂层；若复合材料上面板1、下面板5和折叠夹芯3均为预固化状态，则可以省去上粘接层2和下粘接层4，若复合材料上面板1、下面板5和折叠夹芯3中有一个或两个为预固化状态，则可以省去两个预固化组件间的粘接层；
（4）完成固化，在组合体的上蒙皮和下蒙皮上施加0.05MPa至0.35MPa的压力，按树脂的固化工艺完成固化，即可得到夹芯为折叠结构的复合材料板。
本发明通过将预固化的折叠夹芯结构与预固化的上下面板共固化，或将完成固化的折叠夹芯结构与预固化的上下面板共胶结，或将完成固化的折叠夹芯结构和完成固化的上下面板二次胶结，形成一种轻量化、三维刚度可调、且整体通透的复合材料平板或曲面板。形成该夹芯为折叠结构复合材料板得工艺选择自由，材料覆盖面广，结构参数设计性强，提高了面板与芯材之间的粘接性能和结构的通透性，从而进一步提高了复合材料的安全性，可广泛应用于质轻且抗冲击损毁的结构。
实施例1：
用CF3031/5228A碳纤维织物折叠夹芯共固化制备复合材料平板，其具体步骤如下：
（1）准备CF3031/5228A上面板和下面板：将CF3031/5228A的叠层130℃/1h预固化，上下面板的厚度为2.1mm，固化度小于0.2；
（2）准备CF3031/5228A折叠夹芯，折叠夹芯的制备是，将由纤维织物和热固性树脂组成预浸织物，根据预浸织物的经向单元格尺寸和纬向单元格尺寸，手工压制斜向下折痕6、斜向上折痕7、经向上折痕8和经向下折痕9。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；将完成折叠的CF3031/5228A碳纤维织物夹芯130℃/1h预固化，固化度小于0.2，折叠夹芯的厚度为0.4mm，高度为50mm；
（3）将准备好的面板和夹芯在模具中依次按下蒙皮、折叠夹芯和上蒙皮的顺序完成组装；
（4）在模具上施加0.25MPa的接触压，按180℃/2h的工艺完成固化，脱模即可得到用CF3031/5228A碳纤维织物折叠夹芯共固化制备的复合材料平板。
实施例2：
用CF3031/5228A碳纤维织物折叠夹芯共固化制备复合材料U型前缘，其具体步骤如下：
（1）准备CF3031/5228A上蒙皮和下蒙皮：分别在模具中铺贴CF3031/5228A上蒙皮和下蒙皮，将完成铺贴的CF3031/5228A的叠层130℃/1h预固化，上下蒙皮的厚度为2.0mm，固化度小于0.2；
（2）准备CF3031/5228A折叠夹芯，折叠夹芯的制备是，将由纤维织物和热固性树脂组成预浸织物，根据预浸织物的经向单元格尺寸和纬向单元格尺寸，手工压制斜向下折痕6、斜向上折痕7、经向上折痕8和经向下折痕9。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；将完成折叠的CF3031/5228A碳纤维织物夹芯130℃/1h预固化，固化度小于0.2，折叠夹芯的厚度为0.4mm，高度为25mm；
（3）将准备好的面板和夹芯在加热到80℃的模具中依次按下蒙皮、折叠夹芯和上蒙皮的顺序完成组装，组装时折叠夹芯预加热到80℃完成由平板变形到U型；
（4）在模具上施加0.35MPa的接触压，按180℃/2h的工艺完成固化，脱模即可得到用CF3031/5228A碳纤维织物折叠夹芯共固化制备的复合材料U型前缘。
实施例3：
用CF3031/5228A碳纤维织物折叠夹芯共胶结制备复合材料平板。
本实施例与实施例2的不同在于将SY-14胶膜换为在折叠夹芯与上下面板接触的部位按50g/m2的量刷涂5228A的胶液，在组装时去除胶膜，其余与实施例2相同，即可得到用CF3031/5228A碳纤维织物折叠夹芯共胶结制备的复合材料平板。
实施例4：
用SW280/III型苯并噁嗪玻璃纤维织物折叠夹芯共固化制备复合材料平板，其具体步骤如下：
（1）准备SW280/III型苯并噁嗪玻璃纤维织物上面板和下面板：将SW280/III型苯并噁嗪玻璃纤维织物的叠层150℃/20min预固化，上下面板的厚度为3mm，固化度小于0.15；
（2）准备SW280/III型苯并噁嗪玻璃纤维织物折叠夹芯，折叠夹芯的制备是，将由纤维织物和热固性树脂组成预浸织物，根据预浸织物的经向单元格尺寸和纬向单元格尺寸，手工压制斜向下折痕6、斜向上折痕7、经向上折痕8和经向下折痕9。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；将完成折叠的SW280/III型苯并噁嗪玻璃纤维织物夹芯150℃/20min预固化，固化度小于0.15，折叠夹芯的厚度为1mm，高度为150mm；
（3）将准备好的面板和夹芯在模具中依次按下蒙皮、折叠夹芯和上蒙皮的顺序完成组装；
（4）在模具上施加0.15MPa的接触压，按185℃/3h的工艺完成固化，脱模即可得到用SW280/III型苯并噁嗪玻璃纤维织物折叠夹芯共固化制备的复合材料平板。
实施例5：
用SW280/III型苯并噁嗪玻璃纤维织物折叠夹芯胶结制备复合材料平板，其具体步骤如下：
（1）准备T300/M21碳纤维环氧树脂上面板和下面板，上下面板的厚度为1.2mm；
（2）准备SW280/III型苯并噁嗪玻璃纤维织物折叠夹芯，折叠夹芯的制备是，将由纤维织物和热固性树脂组成预浸织物，根据预浸织物的经向单元格尺寸和纬向单元格尺寸，手工压制斜向下折痕6、斜向上折痕7、经向上折痕8和经向下折痕9。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；将完成折叠的SW280/III型苯并噁嗪玻璃纤维织物夹芯150℃/20min预固化，固化度小于0.15，折叠夹芯的厚度为1.5mm，高度为120mm；
（3）将准备好的面板和夹芯在模具中依次按下蒙皮、SY-14胶膜、折叠夹芯、SY-14胶膜和上蒙皮的顺序完成组装；
（4）在模具上施加0.25MPa的接触压，按185℃/3h的工艺完成固化，脱模即可得到用SW280/III型苯并噁嗪玻璃纤维织物折叠夹芯共胶结制备的复合材料平板。
实施例6：
用SW280/III型苯并噁嗪玻璃纤维织物折叠夹芯胶结制备复合材料平板。
本实施例与实施例5的不同在于将SY-14胶膜换为在折叠夹芯与上下面板接触的部位按60g/m2的量刷涂III型苯并噁嗪的胶液，在组装时去除胶膜，其余与实施例5相同，即可得到用SW280/III型苯并噁嗪玻璃纤维织物折叠夹芯胶结制备的复合材料平板。
实施例7：
用DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物折叠夹芯共固化制备复合材料平板，其具体步骤如下：
（1）准备DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物上面板和下面板：将DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物的叠层80℃/30min预固化，上下面板的厚度为3.5mm，固化度小于0.25；
（2）准备DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物折叠夹芯，折叠夹芯的制备是，将由纤维织物和热固性树脂组成预浸织物，根据预浸织物的经向单元格尺寸和纬向单元格尺寸，手工压制斜向下折痕6、斜向上折痕7、经向上折痕8和经向下折痕9。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；将完成折叠的DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物夹芯80℃/30min预固化，固化度小于0.25，折叠夹芯的厚度为1.5mm，高度为350mm；
（3）将准备好的面板和夹芯在模具中依次按下蒙皮、折叠夹芯和上蒙皮的顺序完成组装；
（4）在模具上施加0.2MPa的接触压，按125℃/2h的工艺完成固化，脱模即可得到用DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物折叠夹芯共固化制备的复合材料平板。
实施例8：
用DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物折叠夹芯共固化制备复合材料C型曲面板，其具体步骤如下：
（1）准备DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物上蒙皮和下蒙皮：分别在C型模具中铺贴DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物上蒙皮和下蒙皮，将完成铺贴的DP328/3233的叠层80℃/30min预固化，上下蒙皮的厚度为1.5mm，固化度小于0.2；
（2）准备DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物折叠夹芯，折叠夹芯的制备是，将由纤维织物和热固性树脂组成预浸织物，根据预浸织物的经向单元格尺寸和纬向单元格尺寸，手工压制斜向下折痕6、斜向上折痕7、经向上折痕8和经向下折痕9。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；将完成折叠的DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物夹芯80℃/30min预固化，固化度小于0.2，折叠夹芯的厚度为0.3mm，高度为12mm；
（3）将准备好的面板和夹芯在加热到60℃的模具中依次按下蒙皮、折叠夹芯和上蒙皮的顺序完成组装，组装时折叠夹芯预加热到60℃完成由平板变形到C型；
（4）在模具上施加0.35MPa的接触压，按125℃/2h的工艺完成固化，脱模即可得到用DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物折叠夹芯共固化制备的复合材料C型曲面板。
实施例9
用DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物折叠夹芯胶结制备复合材料平板，其具体步骤如下：
（1）准备T700/5224碳纤维环氧树脂上面板和下面板，上下面板的厚度为1.5mm；
（2）准备DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物折叠夹芯，折叠夹芯的制备是，将由纤维织物和热固性树脂组成预浸织物，根据预浸织物的经向单元格尺寸和纬向单元格尺寸，手工压制斜向下折痕6、斜向上折痕7、经向上折痕8和经向下折痕9。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；将完成折叠的DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物夹芯80℃/40min预固化，固化度小于0.25，折叠夹芯的厚度为0.3mm，高度为12mm；
（3）在上下面板与折叠夹芯的接触部位按50g/m的量刷涂3233环氧树脂，将准备好的面板和夹芯在模具中依次按下面板、折叠夹芯、和上蒙皮的顺序完成组装；
（4）在模具上施加0.3MPa的接触压，按125℃/2h的工艺完成固化，脱模即可得到用DP328/3233环氧树脂芳纶纤维织物折叠夹芯胶结制备的复合材料平板。

Claims (7)

1.一种夹芯为折叠结构的复合材料板及其成型方法，其特征在于，该夹芯为折叠结构的复合材料板的制备步骤如下：
（A）准备复合材料上面板（1）和下面板（5），复合材料面板为完全固化的状态或预固化的状态，预固化状态下树脂的固化度不大于0.3；
（B）准备折叠夹芯（3），将由纤维织物和热固性树脂组成预浸织物，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，在织物的经向和纬向施加压力，形成折叠体；将折叠体在烘箱或烘道中进行预固化或固化；
（C）完成组装，组装的顺序为如下之一：若复合材料面板及为折叠夹芯（3）均完全固化的状态，组装的顺序为复合材料下面板（5）、下粘接层（4）、折叠夹芯（3）、上粘接层（2）和上复合材料上面板（1），上粘接层（2）和下粘接层（4）为胶膜或树脂层；若复合材料上面板（1）、下面板（5）和折叠夹芯（3）均为预固化状态，组装的顺序为：复合材料下面板（5）、下粘接层（4）、折叠夹芯（3）、上粘接层（2）和上复合材料上面板（1）或则组装的顺序为：复合材料下面板（5）、折叠夹芯（3）和上复合材料上面板（1）；若复合材料上面板（1）、下面板（5）和折叠夹芯（3）中有两个为预固化状态，则省去两个预固化组件间的粘接层；
（D）完成固化，在组合体的上蒙皮和下蒙皮上施加0.05MPa至0.35MPa的压力，按树脂的固化工艺完成固化，即可得到夹芯为折叠结构的复合材料板。
2.根据权利要求1所述的一种夹芯为折叠结构的复合材料板及其成型方法，其特征在于，所述复合材料上面板（1）和下面板（5）及折叠夹芯（3）中的树脂为同一类或同一固化工艺的树脂。
3.根据权利要求1所述的一种夹芯为折叠结构的复合材料板及其成型方法，其特征在于，所述复合材料上面板（1）及下面板（5）和折叠夹芯（3）中至少有一组在组装时为固化状态，在固化时，则其它的树脂为同一固化工艺的树脂。
4.根据权利要求1所述的一种夹芯为折叠结构的复合材料板及其成型方法，其特征在于，复合材料上面板（1）和下面板（5）及折叠夹芯（3）中的纤维为：碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、织物纤维、高分子量聚乙烯纤维或聚苯并噁嗪纤维，复合材料上面板（1）和下面板（5）及折叠夹芯（3）中的树脂为：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。
5.根据权利要求1所述的一种夹芯为折叠结构的复合材料板及其成型方法，其特征为，上粘接层（2）和下粘接层（4）的胶膜为通用的粘结胶膜，面密度为50g/m2至500g/m2；上粘接层（2）和下粘接层（4）的树脂层为和面板及折叠夹芯相容的热固性树脂。
6.根据权利要求1所述的一种夹芯为折叠结构的复合材料板及其成型方法，其特征为，上面板（1）和下面板（5）的厚度为0.5mm 至20mm，折叠夹芯（3）的厚度为0.1至10mm，高度为5mm 至1000mm。
7.根据权利要求1所述的一种夹芯为折叠结构的复合材料板及其成型方法，其特征为，上粘接层（2）和下粘接层（4）的厚度为0.05mm至0.5mm。
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