CN102825879A - 一种泡沫夹芯三明治结构复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泡沫夹芯三明治结构复合材料及其制备方法，该复合材料包括上表面层、下表面层和位于上、下表面层之间的泡沫夹芯层，上表面层和下表面层均是由层状纤维织物叠合而成；所述泡沫夹芯层是由多条泡沫条、泡沫板或泡沫块排列组成；该泡沫夹芯层的相邻泡沫条或相邻泡沫板之间夹放有平行排列的片式纤维织物，在每两条泡沫条中部面上开设有平行于表面层的树脂沟槽，树脂沟槽与纵向贯穿整个泡沫夹芯层树脂补给槽相交；缝合粗纱将上表面层、下表面层和泡沫夹芯层缝合成一个整体结构。发明提供的复合材料质轻，强度高，其制备工艺简单，复合材料一次成型，且树脂可以从夹芯层的中间层注入，提高了注入速率。

Description

一种泡沫夹芯三明治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领域，具体是一种泡沫夹芯三明治结构复合材料及其制备方法。

背景技术

泡沫夹芯三明治结构复合材料是由低密度、闭孔材料如闭孔泡沫塑料作为夹芯层和纤维织物组成的上下表面层形成夹芯结构，放在真空模具中，注入树脂，固化脱模，可形成多种样式的产品，有多种用途，例如船壳，冷冻挂车等。泡沫夹芯层起到分离和稳定结构表层，抵抗剪切力和压力的作用，同时可以提供一个绝热环境。在泡沫内夹芯层和泡沫夹芯层与表面层之间，可以通过提高增强材料之间的相互联系和支持作用来提高夹芯板的结构性能。另外，对压力提供多种分配途径可以提高材料抵抗弯曲应力的能力，防止表面层与夹芯层产生相对滑动。

三明治夹芯材料的结构性能可通过在夹芯中添加纤维增强材料而明显得到提高，同时也提高了夹芯的强度和夹芯与表层的连接，如美国专利US5834082展示的那样。粘性树脂(例如乙烯酯，不饱和聚酯，环氧树脂)在压力差下可以到达上下表面层和夹芯层的强化材料中。在注入树脂时，因为泡沫夹芯层的闭孔结构，树脂不会浸入到泡沫夹芯中。之后树脂固化，形成一个整体性的结构。现有的用纤维织物强化夹芯层产品比没有强化的在性能上有很大的提高，但是不能很好的把夹芯层中独立的强化元素整合成一个单一的，内部相互支持的结构。

用玻璃纤维、碳纤维或其他纤维缝合构成的缝合支柱型内芯强化材料，缝合支柱在夹芯与表面之间延展，同一平面内的缝合支柱可与其他缝合支柱相交，形成一个格子式的结构，从而对每个缝合支柱都提供了弯曲支持，但是这种支持只体现在缝合支柱排的那一个面内。为了达到双向增强，第一排的缝合支柱必须延伸到与之交叉的缝合支柱排内的支柱纤维内。这需要高成本的精度和机械控制，因为所有的支柱在三维内必须有精确地定位。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种料质轻，抗弯曲强度和抗压强度好的整体式泡沫夹芯三明治结构复合材料及其制备方法，本发明树脂可以从夹芯层的中间层注入，注入速率高。

实现本发明目的所采用的技术方案包括：

一种泡沫夹芯三明治结构复合材料，包括上表面层、下表面层和位于上、下表面层之间的泡沫夹芯层，其特征在于，所述上表面层和下表面层均是由层状纤维织物叠合而成；所述泡沫夹芯层是由多条泡沫条、泡沫板或泡沫块排列组成；该泡沫夹芯层的相邻泡沫条或相邻泡沫板之间夹放有平行排列的片式纤维织物，在每两条泡沫条中部面上开设有平行于表面层的树脂沟槽，树脂沟槽与纵向贯穿整个泡沫夹芯层树脂补给槽相交；缝合粗纱将上表面层、下表面层和泡沫夹芯层缝合成一个整体结构。

为进一步实现本发明目的，所述缝合粗纱将上表面层、下表面层和泡沫夹芯层缝合成一个整体结构是缝合粗纱以相对于上下表面层锐角45度交叉对立缝合或者采用45度角单角度缝合；交叉对立缝合是指缝合粗纱形成的两条缝合线关于过交叉点的垂直于上下表面的垂线轴对称；所述45度角单角度缝合是指缝合粗纱形成的缝合线间隔地与上下表面成45度角。

所述层状纤维织物为玻璃纤维、碳纤维或粗纱，所述条状泡沫条或块状泡沫板均为硬质闭孔泡沫塑料；所述硬质闭孔泡沫塑料优选为密度32kg/m³-80kg/m³的聚亚酰胺、聚氯乙烯、聚乙烯或聚甲基丙烯酸酯。

所述片式纤维织物以连续的几字形、斜几字形或者锯齿形平行排列，并且与上表面层和下表面层之间的夹角均为锐角或直角。所述锐角优选为45°或58°。

所述树脂沟槽的横切面为矩形；所述树脂补给槽的横切面为矩形。

所述泡沫夹芯层是由两块泡沫板叠合而成。

一种泡沫夹芯三明治结构复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将条状泡沫条或块状泡沫板叠合，在相邻泡沫条之间或泡沫板之间夹放片式纤维织物，形成泡沫夹芯层；

(2)将层状纤维织物层叠后，并分别置于上述泡沫夹芯层的上表面和下表面，形成泡沫夹芯三明治结构，然后缝合形成整体；

(3)在真空条件下，向步骤(2)中所得到的整体结构中注入树脂，待树脂充分浸渍该整体结构后，固化脱模，即得到泡沫夹芯三明治结构复合材料。

所述树脂为不饱和树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂和环氧树脂中的任意一种或多种。

步骤(3)中树脂通过树脂补给沟槽进入到泡沫条或泡沫板上的树脂沟槽，经夹芯层的纤维织物和缝合粗纱快速的流动，渗透到泡沫夹芯层结构中，最后到达上下两表面层，得到泡沫夹芯三明治结构复合材料。

所述泡沫夹芯层由多条均缠绕有粗纱的泡沫条叠合而成，缠绕时可以用角度大小相同方向相反的粗纱缠绕两次，缠绕角度可以是45°，如果需要进一步增强，可沿着泡沫条纵向在缠绕粗纱之前先覆盖一层粗纱，可以只覆盖一面，或者覆盖多面，用这种缠绕条形成夹芯层可以不用缝合支柱增强，缠绕条的制造是在缠绕设备中进行的。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明泡沫条或泡沫板上开有平行于上下表面层的树脂沟槽，该树脂沟槽与贯穿于整个夹芯层的树脂补给沟槽交叉，树脂补给沟槽的截面要比树脂沟槽大或相同，树脂补给沟槽开在夹芯层中间面上。上述技术措施有助于树脂均匀渗入泡沫夹芯层以及上表面层和下表面层，进而形成一个整体，增强复合材料的抗弯曲强度和抗压强度。

(2)本发明的复合材料是采用混合增强形式，利用纤维织物和缝合粗纱增强，大大提高材料的抗弯曲强度和抗压强度。因为纤维织物和缝合粗纱在夹芯泡沫条之间延展，在横向和竖直方向上都能给予复合材料一定的强度和硬度支持。纤维织物与缝合粗纱相互交叉，相互支持。另外，突出夹芯表面的缝合支粗纱纤维织物与表面层相交，增强了夹芯层与表面层的连接。缝合机制防止了表层和内芯出现相互滑动；

(3)制备的复合材料质轻，强度高，应用广泛；

(4)工艺简单：本发明中夹芯结构的制备可以在缝合设备中进行，夹芯层成型和缝合一次完成。应用真空辅助树脂转移成型技术，复合材料一次成型，且树脂可以从夹芯层的中间层注入，大大提高了注入速率，节省了时间；

(5)材料的成本低：可以用一般的纤维粗纱来代替用于增强作用的纤维织物和表层增强材料，代替以成本较高的机织物或手工织物。

附图说明

图1为实施例1复合材料的俯视图；

图2为实施例2复合材料的侧视切面图；

图3为实施例3复合材料的侧视切面图；

图4为实施例4复合材料的侧视切面图；

图5为实施例5复合材料的侧视切面图；

图6是实施例7复合材料的侧视切面图；

图7是实施例8缠绕条的俯视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

实施例1

该实施例泡沫夹芯三明治结构复合材料的结构如图1所示，上表面层1和下表面层2均由八层玻璃纤维织物叠合而成，上表面层1和下表面层2的上四层和下四层之间用环氧树脂粘性隔层9隔开形成外表面层1.1’、内表面层1.2’，泡沫夹芯层3由多条泡沫条4平行排列(图中为左右方向平行排列)，泡沫条之间夹有片状玻璃纤维织物5，片状玻璃纤维织物5与上表面层1和下表面层2的夹角为直角；在每两条泡沫条4中部面上开设有平行于表面层的矩形截面树脂沟槽6(图中为前后方向，横切面)，树脂沟槽6与纵向贯穿整个泡沫夹芯层3矩形截面树脂补给槽7(图中为左右方向，横切面)相交，优选垂直相交。用缝合粗纱8将上表面层1、下表面层2和泡沫夹芯层3缝合成一个整体结构，以相对于上下表面层锐角45度交叉对立缝合，交叉对立缝合是指缝合粗纱8形成的两条缝合线关于过交叉点的垂直于上下表面的垂线轴对称；泡沫条4注入树脂固化后，缝合粗纱8在树脂作用下起到支柱的作用。将缝合好的夹芯结构放入真空模具中，采用真空辅助树脂转移技术注入树脂。外表面层1.1’的内表面涂有起封闭作用的树脂形成粘性隔层9；缝合粗纱末端10在上表面层1和下表面层2中突出内表面层1.2’，在压力下，缝合粗纱末端10往内表面层1.2’贴近；泡沫夹芯层3注入树脂后，树脂通过泡沫条4泡沫夹芯层3渗透到内表面层1.2’，缝合粗纱末端10被溜平，在外表面层1.1’看不到缝合粗纱末端10。

本实施例也可在上表面层1和下表面层2不设外表面层1.1’、内表面层1.2’，缝合粗纱末端10可以突出上表面层1和下表面层2的表面。

泡沫夹芯三明治结构复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将条状泡沫条4叠合，在相邻泡沫条之间夹放片式纤维织物5，形成泡沫夹芯层；

(2)将层状纤维织物层叠后，并分别置于上述泡沫夹芯层的上表面1和下表面2，形成泡沫夹芯三明治结构，用缝合粗纱8缝合形成整体；

(3)在真空条件下，向步骤(2)中所得到的整体结构中注入树脂，树脂通过连在树脂源头的橡胶管进入树脂补给沟槽7，再进入树脂沟槽6，进而渗透到夹芯层内部增强结构中，最后到达上表面层1和下表面层2，固化成型。待树脂充分浸渍该整体结构后，固化脱模，即得到泡沫夹芯三明治结构复合材料。树脂优选不饱和树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂和环氧树脂中的任意一种或多种。

实施例2

如图2所示，该实施例复合材料的结构同图1相似，片状玻璃纤维织物5与上表面层1和下表面层2的夹角为45度，泡沫条4的横截面是平行四边形，采用45度角单角度缝合(缝合粗纱8形成的缝合线间隔地与上下表面成45度角，没有交叉)，这样就可以大大的提高生产效率。

实施例3

如图3所示，该实施例复合材料的结构同图1基本相同，只是泡沫夹芯层3中用于增强的玻璃纤维织物是连续的，呈连续的几字型在两表面层之间延展，这很大程度的提高了纤维织物11与表面层1、2接触面积，在横向上也给缝合粗纱8更多的支持。

实施例4

如图4所示，该实施例复合材料的结构同图3基本相同，只是泡沫条4之间所夹的连续纤维织物11与上下表面层呈58°，泡沫条截面为平行四边形，采用58度角单角度缝合。

实施例5

如图5所示，该实施例复合材料的结构同图3基本相同，只是泡沫条4之间的连续纤维织物11与上下表面层的夹角是60度，泡沫条4的横截面是三角形，该实施例的强度和硬度会进一步提高。

实施例6

该实施例复合材料的结构同图1基本相同，只是泡沫夹芯层3是由两块泡沫板叠合而成，泡沫板之间夹有纤维织物5。

实施例7

如图6所示，其整体结构与图1相似，只是采用了与图1、3、5、6、7交叉对立缝合不同的一种缝合方式。缝合粗纱8以简单的三角形结构缝合，在靠近上表面层1或下表面层2处交叉，并通过上表面层1和下表面层2。缝合粗纱8一面穿过泡沫夹芯层3到达另一面，在表面形成一个环状突出13，再沿着原来的嵌入路线缝合回去。环形突出13在压力作用下倾斜并靠近上表面层1或下表面层2，注入树脂时，被溜平。如果在注入树脂之前加一外表面层，就可以进一步增强缝合粗纱8与上表面层1和下表面层2的联系；还可以把环状突出13割断或在泡沫夹芯层3表面开一些微小的沟槽，当注入树脂时，使粗纱末端10嵌入到沟槽内。此缝合粗纱8是从两表面开始缝合的，如果需要，可以从同一面开始缝合。

实施例8

如图7所示，与实施例1不同的是泡沫条4的前后面和上下面设有缠绕条16，缠绕条16是由粗纱缠绕形成。缠绕条16分两次以相反的角度螺旋缠绕在泡沫条4的外部，形成了外缠绕层18和内缠绕层17。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种泡沫夹芯三明治结构复合材料，包括上表面层、下表面层和位于上、下表面层之间的泡沫夹芯层，其特征在于，所述上表面层和下表面层均是由层状纤维织物叠合而成；所述泡沫夹芯层是由多条泡沫条、泡沫板或泡沫块排列组成；该泡沫夹芯层的相邻泡沫条或相邻泡沫板之间夹放有平行排列的片式纤维织物，在每两条泡沫条中部面上开设有平行于表面层的树脂沟槽，树脂沟槽与纵向贯穿整个泡沫夹芯层树脂补给槽相交；缝合粗纱将上表面层、下表面层和泡沫夹芯层缝合成一个整体结构。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述缝合粗纱将上表面层、下表面层和泡沫夹芯层缝合成一个整体结构是缝合粗纱以相对于上下表面层锐角45度交叉对立缝合或者采用45度角单角度缝合；交叉对立缝合是指缝合粗纱形成的两条缝合线关于过交叉点的垂直于上下表面的垂线轴对称；所述45度角单角度缝合是指缝合粗纱形成的缝合线间隔地与上下表面成45度角。

3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，层状纤维织物为玻璃纤维、碳纤维或粗纱，所述条状泡沫条或块状泡沫板均为硬质闭孔泡沫塑料；所述硬质闭孔泡沫塑料为密度32kg/m³-80kg/m³的聚亚酰胺、聚氯乙烯、聚乙烯或聚甲基丙烯酸酯。

4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述片式纤维织物以连续的几字形、斜几字形或者锯齿形平行排列，并且与上表面层和下表面层之间的夹角均为锐角或直角。

5.根据权利要求4所述的复合材料，其特征在于，所述锐角为45°或58°。

6.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述树脂沟槽的横切面为矩形；所述树脂补给槽的横切面为矩形。

7.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述泡沫夹芯层是由两块泡沫板叠合而成。

8.一种泡沫夹芯三明治结构复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将条状泡沫条或块状泡沫板叠合，在相邻泡沫条之间或泡沫板之间夹放片式纤维织物，形成泡沫夹芯层；

(2)将层状纤维织物层叠后，并分别置于上述泡沫夹芯层的上表面和下表面，形成泡沫夹芯三明治结构，然后缝合形成整体；

(3)在真空条件下，向步骤(2)中所得到的整体结构中注入树脂，待树脂充分浸渍该整体结构后，固化脱模，即得到泡沫夹芯三明治结构复合材料。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述树脂为不饱和树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂和环氧树脂中的任意一种或多种。

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