CN102923145B - 轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，它由上面板层、下面板层和上、下面板层之间的仿鸟骨骼中空芯子层构成。其特征在于上、下面板层形成夹层结构，所述的仿鸟骨骼中空芯子层以垂直轴纱为中心，以中性面内横向纱线作为芯子有效支撑，由孔隙相通周期性排列的仿鸟骨骼中空构型单胞组成的空间网络结构，且仿鸟骨骼中空芯子层与上、下面板层按设计规律编织为一个整体，并采用树脂传递工艺，在大型热压罐中固化成型。本发明的制备步骤包括：1）制备上、下面板层；2）制备中空芯子层；3）树脂固化成型。本发明比现有的车厢夹芯层整体性更好，质量更轻，承载效率更高，力学性能更加优越，应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车中。

Description

轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料车厢夹芯层及其制备方法，特别涉及一种轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层及其制造方法，并应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车的机车和每一节车厢中，属于工程材料制备、结构设计领域。

背景技术

最近，江雷等(中国专利:201110209112.4)提出了带有仿机翼的空气动力悬浮列车，该列车的机车和每节车厢的顶部分别安装有仿制飞机的机翼结构的仿机翼。通过与列车相对运动的气流作用于仿机翼结构而产生上抬力，从而减少列车对铁轨的压力。该高速列车要求设计的车厢夹芯层尽可能轻而不损失强度。

夹层结构复合材料因比刚度大的突出优点，其作为高速列车车厢夹芯层材料的应用愈来愈受重视。针对夹层结构复合材料，面板层与夹芯层的粘结强度及芯子层的构型是影响夹层结构性能的关键因素。现有的夹层结构复合材料，其中间夹芯层、与上、下面板多为独立的分离实体，采用胶结而成，界面构造单一，很容易导致上、下面板层与中间夹芯层脱胶分层剥离；另外，现有夹层结构的芯子层缺乏有效的支撑点，均不具备较高的高度，达到20mm以上时，芯子易失稳，发生剪切破坏；此外，现有夹层结构的芯子构型多是单方向受力，很容易使芯子朝一个方向单方向产生破坏，最终导致复合材料结构无法使用。因此，需要设计和制备新型的夹层结构功能复合材料，以满足现代高速列车等领域结构超轻型化，最佳构形设计，多功能化的结构设计要求。

鸟类具有最优的骨骼结构，含有大量孔隙相通的周期性轻质结构。飞鸟骨骼结构不仅具有明显的直线轴向骨骼作为支撑，同时还具有多方向的斜向骨骼作为有效支撑，提供了鸟类飞行所需的强度。借助于飞鸟骨骼结构，制备轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料夹芯层，并应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车的机车和每一节车厢中，是本发明的目的所在。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种轻质仿鸟骨骼中空夹芯结构的复合材料车厢夹芯层及其制备方法，并应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车的机车和每一节车厢中。该复合材料车厢夹芯层结构整体性好，质量轻、大大提高了结构的承载效率，结构的稳定性、抗压、抗剪、抗冲击、耐疲劳等性能都得到显著增强。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。

本发明解决所述轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层技术问题的技术方案如下：

本发明设计的一种轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，它由上面板层、下面板层和设置于上、下面板层之间的仿鸟骨骼中空芯子层构成；其特征在于上、下面板层形成夹层结构，所述的仿鸟骨骼中空芯子层以垂直轴纱为中心，以中性面内横向纱线作为芯子有效支撑，由孔隙相通周期性排列的仿鸟骨骼中空构型单胞组成的空间网络结构，且该仿鸟骨骼中空芯子层与上、下面板层按设计规律编织为一个整体，并采用树脂传递工艺，在大型热压罐中固化成型；所述大型热压罐指外形尺寸为30-35米，直径为5.5米的热压罐；

所述的上面板层、下面板层是采用机织工艺技术，由高性能纤维材料织造面板层预成型件来制备得到；所述的上、下面板层预成型件的织物组织结构分别采用平纹、斜纹、缎纹或变化组织结构中的任何一种；所述的织物组织结构是面板层经纱和纬纱的交织规律；所述的高性能纤维材料是指碳纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维、玄武岩纤维中的一种；

所述的仿鸟骨骼中空芯子层的中性面还包括两组横向纱线：沿宽度方向的横向纱线和沿厚度方向的横向纱线；其中，沿宽度方向横向纱线将相邻两组仿鸟骨骼中空芯子捆绑并沿面内宽度方向取向；沿厚度方向横向纱线将相邻两组仿鸟骨骼中空芯子捆绑并沿面内厚度方向取向；所述的横向纱线从相邻两组仿鸟骨骼中空芯子纱线的中心穿过，并与相邻的仿鸟骨骼中空芯子纱线形成“8”字型线圈缠绕捆绑。

本发明的特征还在于上面板层和下面板层形成夹层结构，仿鸟骨骼中空芯子层与上、下面板层间通过三维整体机织工艺，编织为一个完全不分离的整体结构。

本发明的特征还在于所述的仿鸟骨骼中空芯子层是由孔隙相通周期性排列的仿鸟骨骼中空构型单胞组成的空间网络结构，所述的单胞为仿鸟骨骼中空芯子层的最小重复单元。

本发明的特征还在于所述的仿鸟骨骼中空结构关于中性面为完全对称结构。

本发明的特征还在于所述的仿鸟骨骼中空构型含有垂直于上、下面板的直法向纱线，即轴纱。

本发明的特征还在于所述的仿鸟骨骼中空芯子层单胞结构以垂直轴纱为中心对称结构，且轴纱起有效的轴向支撑作用。

本发明的特征还在于所述的仿鸟骨骼中空构型，沿宽度方向或厚度方向来看，构型呈现完全的对称结构，起着有效的双向支撑作用。

本发明的特征还在于所述的仿鸟骨骼中空芯子层，沿面内宽度方向和厚度方向来看，双方向芯子层呈现完全的对称结构，起着有效的面内双向支撑作用。

本发明的特征还在于所述的沿宽度方向和沿厚度方向的横向纱线与芯子层纱线的所有交叉重合点分布在中性面上，对芯子层起着有效支撑作用。

本发明的特征还在于所述的轴纱、沿宽度方向横向纱线、沿厚度方向横向纱线在中性面上相互交织重合于一点，对芯子层起着有效支撑作用。

本发明的特征还在于所述的仿鸟骨骼中空构型的位置、密度、轴向纱的数量、横向纱的数量均可进行任意设置和调节。

本发明的特征还在于所述的仿鸟骨骼中空构型为直线形式或曲线形式，所述的仿鸟骨骼中空构型为“直线”形斜向交叉构型、“S”形斜向交叉构型、“波浪形”斜向交叉构型、“C”形斜向交叉构型或“I”字形等构型。

本发明的特征还在于所述的仿鸟骨骼中空结构还可以形成双夹层、多夹层结构。

本发明的特征还在所述仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层外形尺寸长度范围为0-28米,宽度范围为0-3.5米，高度范围为0-3.5米；上面板层厚度范围为0-0.020米，下面板层厚度范围为0-0.020米，所述的仿鸟骨骼中空芯子层高度范围为0-0.160米，针对单夹层结构，仿鸟骨骼中空芯子层连接上、下层面板层形成的整体高度范围为0-0.180米。针对双夹层结构，仿鸟骨骼中空芯子层连接上、下层面板层形成的整体高度范围为0-0.360米。

本发明的特征还在于整体复合材料车厢夹芯层采用树脂注入工艺，先在室温下进行固化，并采用大型热压罐进行高温高压熟化。所述的热压罐外形尺寸为30-35米，直径为5.5米；可控温度范围为室温到300℃，最大压力水平为7个大气压。

本发明的特征还在于所述复合材料的上、下面板层的外表面均平整光滑，形状尺寸精确，无需进行二次加工，不会造成纤维及复合材料损伤。

本发明所述轻质仿鸟骨骼中空结构复合材料车厢夹芯层的制备方法，其特征在于按如下步骤进行制备：

1)上、下面板层制备；

所述的上面板层、下面板层是采用机织工艺技术，由高性能纤维材料织造面板层预成型件来制备得到；所述的上、下面板层预成型件的织物组织结构分别采用平纹、斜纹、缎纹或变化组织结构中的任何一种；按照设计的织物组织结构，由上面板层经纱系统和上面板层纬纱系统交织形成上面板层，由下面板层经纱系统和下面板层纬纱系统交织形成下面板层。

2)制备中空芯子层；

(a)间隔纱线系统

沿宽度方向的间隔纱线系统，除了与步骤1)所述上面板层的纬纱系统交织外，还跨层与下面板层的纬纱系统交织，沿宽度方向将上、下面板层织造成一个整体，构成夹层结构；沿厚度方向的间隔纱线系统，除了与步骤1)所述上面板层的经纱系统交织外，还跨层与下面板层的经纱系统交织，沿厚度方向将上、下面板层织造成一个整体，构成夹层结构；所述的间隔纱线系统从一个面板层跨层向另一个面板层交织时，其在两夹层面板间的空间走向相反；

(b)轴向纱线系统

轴向纱线系统，在每相邻两组沿宽度方向的芯子间隔纱线系统的中间位置，由轴纱引纱装置沿着厚度方向逐行垂直喂入，或在每相邻沿厚度方向的芯子间隔纱线系统的中间位置，由轴纱引纱装置沿着宽度方向逐列垂直喂入；轴向纱线系统贯穿整个夹层结构的高度方向，并夹持在上面板层和下面板层相邻的经纱纱线系统行之间。

(c)横向纱线系统

沿宽度方向横向纱线系统，由引纱装置携带，沿着厚度方向逐行由中性面位置喂入，将相邻两根中空芯子间隔纱线捆绑并沿面内宽度方向取向；沿厚度方向横向纱线系统由引纱装置携带，沿着宽度方向逐行由中性面位置喂入，将相邻两根中空芯子间隔纱线捆绑并沿面内厚度方向取向。

重复所述工艺步骤(1)(2)，即得到仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层预制件。

3)树脂固化成型；

将织造好的仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层预制件，采用树脂传递工艺，注入环氧树脂，使上、下面板层和中空芯子层充分浸渍树脂，先在室温下固化，再放置于大型热压罐中，在高温高压下熟化；树脂复合固化后，即得到仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层；所述大型热压罐指外形尺寸为30-35米，直径为5.5米的热压罐；所述高温指300℃；所述高压指7个大气压。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

本发明的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层采用三维整体机织工艺，将仿鸟骨骼中空芯子层与上面板层、下面板层间编织成一个完全不分离的整体结构，彻底避免了传统夹层结构的面板层与夹芯层的脱胶分层剥离。本发明具有垂直于上、下面板的轴纱作为有效支撑，大大提高了复合材料的轴向抗压等力学性能；本发明制备的仿鸟骨骼中空构型沿宽度或厚度方向及面内双方向呈完全对称结构，起着有效的双向支撑作用，同时，由于芯子层中性面横向纱线的加入，使芯子层的受力有效的传递给横向纱线，对芯子层起着有效支撑作用，这样，芯子的高度得到了显著的增加，克服了现有夹层结构中，夹层芯子的高度有限以及芯子缺乏有效支撑点的弱点，具有更大的孔隙率，密度大大降低，提高了材料的承载效率。同时，本发明制备的仿鸟骨骼中空构型的孔隙是连通的，方便了多功能化的设计和实现，如布线、隔热，减震、吸声和配置电池等。此外，本发明采用树脂传递工艺，大型热压罐固化成型，上、下面板层的外表面均平整光滑，无需进行二次加工，不会造成复合材料损伤。总体来说，本发明制备的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层比传统的夹层结构具有更强的综合性能，整体性更好、力学性能更加优越，质量更轻，承载效率更高，功能性更好。本发明制备的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料夹芯层除应用于高速列车领域，还能够适用于航空航天、航海、以及国防装备等诸多高新技术产品领域。

在申请人检索的范围内，本发明的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层及其制备方法还未见相关文献报道。

附图说明

图1是带有仿机翼的空气动力悬浮列车的示意图。

图2是复合材料车厢夹芯层的示意图。

图3是本发明提供的轻质仿鸟骨骼中空结构复合材料的结构示意图。

图4是图3中仿鸟骨骼中空构型单胞的放大图。

图5是本发明的仿鸟骨骼中空芯子层结构示意图。

图6是本发明的芯子层中性面横向纱线与芯子纱线缠绕交织结构示意图。

图7是本发明提供的仿鸟骨骼中空“直线”形交叉结构示意图。

图8是本发明提供的仿鸟骨骼中空“波浪形”形交叉结构示意图。

图9是本发明提供的仿鸟骨骼中空“C”形交叉结构示意图。

图10是本发明提供的仿鸟骨骼中空“S”形交叉双夹层结构示意图。

图11是本发明提供的仿鸟骨骼中空“S”形交叉制造示意图。

图12是本发明提供的仿鸟骨骼中空“波浪形”形交叉制造示意图。

图13是本发明提供的仿鸟骨骼中空“直线”形交叉制造示意图。

1-带有仿机翼的空气动力悬浮列车；2-仿机翼；3-列车车厢；4-车厢夹芯层；5-上面板层；6-下面板层；7-仿鸟骨骼中空芯子层；8-仿鸟骨骼中空构型单胞；9-轴向纱线；10-沿宽度方向横向纱线；11-沿厚度方向横向纱线；12-“直线”形交叉构型；13-“波浪”形交叉构型；14-“C”形交叉构型；15-“S”形交叉构型；16-上面板层经纱系统；17-上面板层经纱系统；18-上面板层纬纱系统；19-下面板层经纱系统；20-下面板层经纱系统；21-下面板层纬纱系统；22-间隔纱线系统；23-间隔纱线系统；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，为带有仿机翼的空气动力悬浮列车的示意图。图2是复合材料车厢夹芯层的示意图，车厢结构包括夹芯层4。

图3为本发明提供的一种轻质仿鸟骨骼中空结构复合材料的结构示意图。该复合材料由上面板层5、下面板层6以及设置在上、下面板层之间的仿鸟骨骼中空芯子层7构成，其特征在于上，下面板层形成夹层结构，且仿鸟骨骼中空芯子层7与上、下面板层间编织为一个完全不分离的整体结构。

本发明的特征还在于：所述的仿鸟骨骼中空芯子层7是由孔隙相通周期性排列的仿鸟骨骼中空构型单胞8组成的空间网络结构，所述的单胞为仿鸟骨骼中空芯子层的最小重复单元。参见图3和图4。

本发明的特征还在于：所述的仿鸟骨骼中空芯子层含有垂直于上、下面板的直法向纱线，即轴纱9，参见图4。

本发明的特征还在于：所述的仿鸟骨骼中空芯子层单胞结构以垂直轴纱9为中心对称结构，且轴纱起有效的轴向支撑作用，参见图4。

本发明的特征还在于：所述的仿鸟骨骼中空夹芯结构关于中性面为完全对称结构。参见图3。

本发明的特征还在于：所述的仿鸟骨骼中空芯子层以中性面内沿宽度方向横向纱线10和沿厚度方向横向纱线11作为芯子有效支撑。参见图5。

本发明的特征还在于：沿宽度方向横向纱线10将相邻两组仿鸟骨骼中空芯子纱线捆绑并沿面内宽度方向取向；沿厚度方向横向纱线11将相邻两组仿鸟骨骼中空芯子纱线捆绑并沿面内厚度方向取向。参见图5。

本发明的特征还在于：所述的横向纱线从相邻两组仿鸟骨中空芯子纱线的中心穿过，并与相邻的仿鸟骨中空芯子纱线形成“8”字型线圈缠绕捆绑。参见图6。

本发明的特征还在于：所述的沿宽度方向和沿厚度方向的横向纬纱与芯子层纱线的所有交叉重合点分布在中性面上，对芯子层起着有效支撑作用。

本发明的特征还在于：所述的轴纱、沿宽度方向横向纱线、沿厚度方向横向纱线相互交织于一点，对芯子层起着有效支撑作用。参见图4。

本发明的特征还在于：所述的仿鸟骨骼中空构型即可为直线形式也可为曲线形式，如有“直线”形斜向交叉构型12(参见图7)、“波浪”形斜向交叉构型13(参见图8)、“C”形斜向交叉构型14(参见图9)，“S”形斜向交叉构型15(参见图10)、等构型。

本发明的特征还在于：所述的仿鸟骨骼中空构型，沿某一方向(沿宽度方向或厚度方向)来看，构型呈现完全的对称结构，起着有效的双向支撑作用。参见图3-图9。

本发明的特征还在于：所述的仿鸟骨骼中空芯子层，沿面内两个方向(面内宽度方向和厚度方向)来看，双方向芯子层呈现完全的对称结构，起着有效的面内双向支撑作用。参见图3-图9。

本发明的特征还在于：所述的仿鸟骨骼中空结构还可以形成双夹层、多夹层结构。参见图10。

本发明的特征还在于：所述仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层外形尺寸长度范围为0-28米,宽度范围为0-3.5米，高度范围为0-3.5米；上面板层厚度范围为0-0.020米，下面板层厚度范围为0-0.020米，所述的仿鸟骨骼中空芯子层高度范围可达到0-0.160米之间，针对单夹层结构，仿鸟骨骼中空芯子层连接上、下层面板层形成的整体高度范围为0-0.180米之间。针对双夹层结构，仿鸟骨骼中空芯子层连接上、下层面板层形成的整体高度范围为0-0.360米之间。

本发明同时设计了所述仿鸟骨骼中空夹芯结构复合材料的制备方法，其特征在于按如下步骤进行制备：

1)制备上、下面板层；

所述的上面板层5、下面板层6是采用机织工艺技术，由高性能纤维材料织造面板层预成型件来制备得到；所述的上、下面板层预成型件的织物组织结构可以分别采用平纹、斜纹、缎纹或变化组织结构中的任何一种。所述的织物组织结构是面板层经纱和纬纱的交织规律。所述的高性能纤维材料是指碳纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维、玄武岩纤维等中的一种。

参见图11，按照设计的织物组织结构，上面板层由上面板层经纱系统16,17和上面板层纬纱系统18交织形成，下面板层由下面板层经纱系统19,20和下面板层纬纱系统21交织形成。上面板层经纱系统和下面板层经纱系统由同一个经轴送出，且机织上面板层经纱系统的送经量与机织下面板层经纱系统的送经量相同。上面板层纬纱系统和下面板层纬纱系统由同一个纬纱梭子引纬，且机织上面板层纬纱系统的引纬量和机织下面板层纬纱系统的引纬量相同。

2)制备中空芯子层；

(a)间隔纱线系统

参见图11，沿宽度方向的间隔纱线系统22,23，除了与步骤1)所述上面板层的纬纱系统18交织外，还跨层与下面板层的纬纱系统21交织，沿宽度方向将上、下面板层织造成一个整体，构成夹层结构。所述的间隔纱线系统22,23从一个面板层跨层向另一个面板层交织时，其在两夹层面板间的空间走向相反，中空构型沿宽度方向呈现完全的对称结构，起着有效的双向支撑作用。

同理，沿厚度方向的间隔纱线系统，除了与步骤1)所述上面板层的经纱系统交织外，还跨层与下面板层的经纱系统交织，沿厚度方向将上、下面板层织造成一个整体，构成夹层结构。所述的沿厚度方向间隔纱线系统从一个面板层跨层向另一个面板层交织时，其在两夹层面板间的空间走向相反，中空构型沿厚度方向呈现完全的对称结构，起着有效的双向支撑作用。本发明所述的仿鸟骨骼中空芯子层，沿面内两个方向(面内宽度方向和厚度方向)，双方向芯子层呈现完全的对称结构，起着有效的面内双向支撑作用。

(b)轴向纱线系统

轴向纱线系统9，在每相邻两组沿宽度方向的芯子间隔纱线系统的中间位置，由轴纱引纱装置沿着厚度方向逐行垂直喂入，或在每相邻沿厚度方向的芯子间隔纱线系统的中间位置，由轴纱引纱装置沿着宽度方向逐列垂直喂入；轴向纱线系统贯穿整个夹层结构的高度方向，并夹持在上面板层和下面板层相邻的经纱纱线系统行之间，实现含轴向纱线系统的仿鸟骨骼中空结构的织造。所述的仿鸟骨骼中空芯子层单胞结构以垂直轴纱为中心对称结构，且轴纱起有效的轴向支撑作用。

(c)横向纱线系统

沿宽度方向横向纱线系统10，由引纱装置携带，由中性面位置按一定的喂入方式，将相邻两根仿鸟骨骼中空芯子间隔纱线捆绑并沿面内宽度方向取向；沿厚度方向横向纱线系统7由引纱装置携带，由中性面位置按一定的喂入方式，将相邻两根仿鸟骨骼中空芯子间隔纱线捆绑并沿面内厚度方向取向。所述的沿宽度方向和沿厚度方向的横向纱线从相邻两根仿鸟骨中空芯子间隔纱线的中心穿过，并与相邻的仿鸟骨中空芯子间隔纱线形成“8”字型线圈缠绕捆绑。所述的沿宽度方向和沿厚度方向的横向纬纱与芯子层纱线的所有交叉重合点分布在中性面上；所述的沿宽度方向的横向纬纱、沿厚度方向的横向纬纱和轴纱在中性面上相互交织重合于一点，对芯子层起着有效支撑作用。

重复所述工艺步骤(1)(2)，即可获得本发明所述的仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层预制件。

3)树脂固化成型。

预制件织造完成后，对预制件进行崩直张拉，克服在织造过程中产生的纱线松紧不一的状况。将织造好的仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层预制件，采用树脂传递工艺，注入树脂，使上、下面板层和芯子层充分浸渍树脂，先在室温下固化，再放置于大型热压罐中，复合固化后，即得到本发明的仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层；所述的树脂采用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和树脂、乙烯基树脂等中的一种。所述的热压罐外形尺寸为30-35米，直径为5.5米；可控温度范围为室温到300℃，最大压力水平可达到7个大气压。

实施例：

1)制备上、下面板层；

经纱系统采用T300 6K碳纤维，纬纱系统采用T300 6K碳纤维。预制件经密为40根/10厘米，预制件纬密为30根/10厘米，车厢夹芯层预制件外形尺寸长度为25米，宽度为3米，高度为3米，上面板层厚度为0.012米，下面板层厚度为0.012米，芯子层高度为0.1米。

采用改进的大型剑杆织机利用多经多层织造法进行织造。上面板层经纱系统和下面板层经纱系统由同一个经轴送出，且机织上面板层经纱系统的送经量与机织下面板层经纱系统的送经量相同。首先进行经纱系统的初始排列，将经纱系统分成上、下面板层两部分，将经纱系统分别穿入不同的综框中；不同的综框向上和向下开口运动，上、下面层经纱系统相互交替运动分别形成上、下两面板层经纱系统的梭口；在梭口处由引纬装置喂入纬纱系统，打纬机构将纬纱系统打向织口，纬纱依次与上、下层经纱形成的梭口进行交织。上面板层纬纱系统和下面板层纬纱系统由同一个纬纱梭子引纬，且机织上面板层纬纱系统的引纬量和机织下面板层纬纱系统的引纬量相同。参见图3和图11，所述的上面板层5、下面板层6交织的织物组织结构为平纹。上面板层经纱系统16,17和上面板层纬纱系统18交织形成上面板层，下面板层经纱系统19,20和下面板层纬纱系统21交织形成下面板层。

2)制备中空芯子层；

(a)间隔纱线系统

间隔纱线系统采用T300 12K碳纤维，间隔纱线的间距为0.1米，中空构型为“S”行斜向交叉。根据步骤1)所述，经纱系统和纬纱系统交织形成上、下面板层，在上、下面板层之间间隔有一定的距离高度，参见图11，沿宽度方向的两组间隔纱线系统22,23，夹在上、下层面板中间，除了与所述上面板层的纬纱系统18交织外，还跨层与下面板层的纬纱系统21交织，沿宽度方向将上、下面板层织造成一个整体，构成夹层结构。在织造过程中，应尽量保持上、下面板层间沿宽度方向芯子间隔纱线的张力一致，沿宽度方向间隔纱线的送经量为间隔跨距内间隔纱线的实际曲线长度。所述的两组沿宽度方向间隔纱线系统22,23从一个面板层跨层向另一个面板层交织时，其在两夹层面板间的空间走向相反，沿宽度方向间隔纱线与上、下面板层交织形成“S”形斜向交叉中空构型，中空构型沿宽度方向呈现完全的对称结构，起着有效的双向支撑作用。

同理，沿厚度方向的间隔纱线系统，夹在上、下层面板中间，除了与步骤1)所述上面板层的经纱系统交织外，还跨层与下面板层的经纱系统交织，沿厚度方向将上、下面板层织造成一个整体，构成夹层结构。在织造过程中，应尽量保持上、下面板层间沿厚度方向芯子间隔纱线的动态张力一致，沿厚度方向间隔纱线的送经量为间隔跨距内间隔纱线的实际曲线长度。所述的沿厚度方向间隔纱线系统从一个面板层跨层向另一个面板层交织时，其在两夹层面板间的空间走向相反，沿厚度方向间隔纱线与上、下面板层交织形成“S”形斜向交叉中空构型，中空构型沿厚度方向呈现完全的对称结构，起着有效的双向支撑作用。本实施例所述的仿鸟骨骼中空芯子层，沿面内两个方向(面内宽度方向和厚度方向)，双方向芯子层呈现完全的对称结构，起着有效的面内双向支撑作用。

(b)轴向纱线系统

轴向纱线系统采用T300 9K碳纤维。轴向纱线系统9，在每相邻沿宽度方向的芯子间隔纱线系统的中间位置，由轴纱引纱装置沿着厚度方向逐行垂直喂入。参见图4，即：沿着宽度方向，轴向纱线9在相邻的沿宽度方向的两组芯子间隔纱线系统的中间位置，由轴纱引纱装置从上面板层垂直喂入，穿过中空夹芯层，再从下面板层垂直穿出，夹持在上面板层和下面板层相邻的经纱纱线系统行之间。接着，沿着宽度方向，进行下一根轴向纱线的喂入，轴纱与沿厚度方向芯子间隔纱线系统交替排列，待该行轴向纱线全部加满后，沿着厚度方向进入下一行，再沿宽度方向喂入轴纱。同理，或者在厚度方向，轴向纱线在每相邻两组沿厚度方向的芯子间隔纱线系统的中间位置，由轴纱引纱装置从上面板层垂直喂入，穿过中空夹芯层，再从下面板层垂直穿出，夹持在上面板层和下面板层相邻的经纱纱线系统列之间。接着，沿着厚度方向，进行下一根轴向纱线的喂入，轴纱与沿宽度方向芯子间隔纱线系统交替排列，待该列轴向纱线全部加满后，沿着厚度方向进入下一列，再沿厚度方向喂入轴纱。

(c)横向纱线系统

横向纱线系统采用T300 9K碳纤维。沿宽度方向横向纱线系统10，由引纱装置携带，沿着厚度方向逐行由中性面位置喂入，将相邻两根中空芯子间隔纱线捆绑并沿面内宽度方向取向。参见图5，沿宽度方向横向纱线从第一行沿宽度方向依次将相邻两根中空芯子间隔纱线捆绑并沿面内宽度方向，再沿厚度方向，进入下一行，再喂入沿宽度方向横向纱线。同理，沿厚度方向横向纱线系统11由引纱装置携带，由中性面位置喂入，将相邻两根中空芯子间隔纱线捆绑并沿面内厚度方向取向。所述的沿宽度方向和沿厚度方向的横向纱线从相邻两根中空芯子间隔纱线的中心穿过，并与相邻的仿鸟骨中空芯子间隔纱线形成“8”字型线圈缠绕捆绑，参见图4。所述的沿宽度方向和沿厚度方向的横向纬纱与芯子层纱线的所有交叉重合点分布在中性面上；所述的沿宽度方向的横向纬纱、沿厚度方向的横向纬纱和轴纱在中性面上相互交织重合于一点，对芯子层起着有效支撑作用。

重复所述工艺步骤(1)(2)，即可获得本发明所述的仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层预制件。

3)树脂固化成型。

预制件织造完成后，对预制件进行崩直张拉，克服在织造过程中产生的纱线松紧不一的状况。将织造好的仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层预制件，采用树脂传递工艺，注入环氧树脂，使上、下面板层和中空芯子层充分浸渍环氧树脂，先在室温下固化5天，再放置于大型热压罐中，在3个大气压下，180℃下熟化24小时，树脂复合固化后，即得到本发明的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层。

Claims (8)

1.一种轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，它由上面板层、下面板层和设置于上、下面板层之间的仿鸟骨骼中空芯子层构成；其特征在于：上、下面板层形成夹层结构，所述的仿鸟骨骼中空芯子层以垂直轴纱为中心，以中性面内横向纱线作为芯子有效支撑，由孔隙相通周期性排列的仿鸟骨骼中空构型单胞组成的空间网络结构，且该仿鸟骨骼中空芯子层与上、下面板层按设计规律编织为一个整体，并采用树脂传递工艺，在大型热压罐中固化成型；所述大型热压罐指外形尺寸为30-35米，直径为5.5米的热压罐；

所述的上面板层、下面板层是采用机织工艺技术，由高性能纤维材料织造面板层预成型件来制备得到；所述的上、下面板层预成型件的织物组织结构分别采用平纹、斜纹、缎纹或变化组织结构中的任何一种；所述的织物组织结构是面板层经纱和纬纱的交织规律；所述的高性能纤维材料是指碳纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维、玄武岩纤维中的一种；

所述的仿鸟骨骼中空芯子层的中性面还包括两组横向纱线：沿宽度方向的横向纱线和沿厚度方向的横向纱线；其中，沿宽度方向横向纱线将相邻两组仿鸟骨骼中空芯子捆绑并沿面内宽度方向取向；沿厚度方向横向纱线将相邻两组仿鸟骨骼中空芯子捆绑并沿面内厚度方向取向；所述的横向纱线从相邻两组仿鸟骨骼中空芯子纱线的中心穿过，并与相邻的仿鸟骨骼中空芯子纱线形成“8”字型线圈缠绕捆绑。

2.根据权利要求1所述的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，其特征在于：上面板层和下面板层形成夹层结构，仿鸟骨骼中空芯子层与上、下面板层间通过三维整体机织工艺，编织为一个完全不分离的整体结构；所述的仿鸟骨骼中空芯子层是由孔隙相通周期性排列的仿鸟骨骼中空构型单胞组成的空间网络结构，所述的单胞为仿鸟骨骼中空芯子层的最小重复单元；所述的仿鸟骨骼中空芯子层关于中性面为完全对称结构。

3.根据权利要求1所述的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，其特征在于：所述的仿鸟骨骼中空构型含有垂直于上、下面板的直法向纱线，即轴纱；所述的仿鸟骨骼中空芯子层单胞结构以垂直轴纱为中心对称结构，且轴纱起有效的轴向支撑作用。

4.根据权利要求1所述的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，其特征在于：所述的仿鸟骨骼中空构型，沿宽度方向或厚度方向来看，构型呈现完全的对称结构；所述的仿鸟骨骼中空芯子层，沿面内宽度方向和厚度方向来看，双方向芯子层呈现完全的对称结构，起着有效的面内双向支撑作用。

5.根据权利要求1所述的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，其特征在于：所述的沿宽度方向和沿厚度方向的横向纱线与芯子层纱线的所有交叉重合点分布在中性面上；所述的沿宽度方向的横向纱线、沿厚度方向的横向纱线和轴纱在中性面上相互交织重合于一点，对芯子层起着有效支撑作用。

6.根据权利要求1所述的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，其特征在于：所述的仿鸟骨骼中空构型为直线形式或曲线形式；所述的仿鸟骨骼中空构型为“直线”形斜向交叉构型、“S”形斜向交叉构型、“波浪形”斜向交叉构型、“C”形斜向交叉构型或“I”字形构型；所述的仿鸟骨骼中空结构形成多夹层结构。

7.根据权利要求1所述的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，其特征在于：所述整体复合材料车厢夹芯层外形尺寸长度范围为0-28米，宽度范围为0-3.5米，高度范围为0-3.5米；上面板层厚度范围为0-0.020米，下面板层厚度范围为0-0.020米，所述的仿鸟骨骼中空芯子层高度范围为0-0.160米，针对单夹层结构，仿鸟骨骼中空芯子层连接上、下层面板层形成的整体高度范围为0-0.180米；针对双夹层结构，仿鸟骨骼中空芯子层连接上、下层面板层形成的整体高度范围为0-0.360米；所述整体复合材料车厢夹芯层采用树脂注入工艺，先在室温下进行固化，并采用大型热压罐进行高温高压熟化；所述的热压罐外形尺寸为30-35米，直径为5.5米；可控温度范围为室温到300℃，最大压力水平为7个大气压。

8.一种如权利要求1所述轻质仿鸟骨骼中空结构复合材料车厢夹芯层的制备方法，其特征在于按如下步骤进行制备：

1)上、下面板层制备

所述的上面板层、下面板层是采用机织工艺技术，由高性能纤维材料织造面板层预成型件来制备得到；所述的上、下面板层预成型件的织物组织结构分别采用平纹、斜纹、缎纹或变化组织结构中的任何一种；按照设计的织物组织结构，由上面板层经纱系统和上面板层纬纱系统交织形成上面板层，由下面板层经纱系统和下面板层纬纱系统交织形成下面板层；

2)制备中空芯子层

(a)间隔纱线系统

沿宽度方向的间隔纱线系统，除了与步骤1)所述上面板层的纬纱系统交织外，还跨层与下面板层的纬纱系统交织，沿宽度方向将上、下面板层织造成一个整体，构成夹层结构；沿厚度方向的间隔纱线系统，除了与步骤1)所述上面板层的经纱系统交织外，还跨层与下面板层的经纱系统交织，沿厚度方向将上、下面板层织造成一个整体，构成夹层结构；所述的间隔纱线系统从一个面板层跨层向另一个面板层交织时，其在两夹层面板间的空间走向相反；

(b)轴向纱线系统

轴向纱线系统，在每相邻两组沿宽度方向的芯子间隔纱线系统的中间位置，由轴纱引纱装置沿着厚度方向逐行垂直喂入，或在每相邻沿厚度方向的芯子间隔纱线系统的中间位置，由轴纱引纱装置沿着宽度方向逐列垂直喂入；轴向纱线系统贯穿整个夹层结构的高度方向，并夹持在上面板层和下面板层相邻的经纱纱线系统行之间；

(c)横向纱线系统

沿宽度方向横向纱线系统，由引纱装置携带，沿着厚度方向逐行由中性面位置喂入，将相邻两根中空芯子间隔纱线捆绑并沿面内宽度方向取向；沿厚度方向横向纱线系统由引纱装置携带，沿着宽度方向逐行由中性面位置喂入，将相邻两根中空芯子间隔纱线捆绑并沿面内厚度方向取向；

重复所述工艺步骤(1)(2)，即得到仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层预制件；

3)树脂固化成型

将织造好的仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层预制件，采用树脂传递工艺，注入环氧树脂，使上、下面板层和中空芯子层充分浸渍树脂，先在室温下固化，再放置于大型热压罐中，在高温高压下熟化；树脂复合固化后，即得到仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层；所述大型热压罐指外形尺寸为30-35米，直径为5.5米的热压罐；所述高温指300℃；所述高压指7个大气压。