CN103072284A - 一种含增强筋的夹芯结构复合材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种含增强筋的夹芯结构复合材料及其制造方法，材料由内部芯材、增强筋、整体一次成型的纤维织物增强树脂复合材料层组成；内部芯材是压缩强度应大于0.5MPa的轻质浮力材料；增强筋由用胶粘剂与内部芯材连接在一起的轻质材料内模、包覆在轻质材料内模外表面的纤维织物层构成；纤维织物为玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、超高分子量聚乙烯纤维及玄武岩纤维等；树脂为聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂及酚醛树脂等的固化物。本发明可以一次整体成型出既有增强筋又有夹芯结构的制品，可增加复合材料刚度的设计空间，减少后续二次加工；减少了制品出现缺陷的可能性；工艺几乎不产生有害气体挥发，可以保护人员健康。

Description

一种含增强筋的夹芯结构复合材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料技术，特别是一种含增强筋的夹芯结构复合材料及其制造方法。

背景技术

树脂基复合材料由于具有轻质、高强、耐水、耐化学腐蚀等优点，目前在航空、船舶、交通等多个领域具有广泛应用。然而，复合材料的弹性模量低于金属结构材料，如玻璃纤维复合材料的拉伸模量仅是合金钢的1/7左右，这就造成复合材料制品的刚度较小。为了增加复合材料制品的刚度，人们采用了两种方法对复合材料的结构进行了改进。一种方法是采用高强度桁条对复合材料薄板进行增强，以提高稳定性；另一种方法是设计出了夹芯结构复合材料，通过在上下面板之间设置蜂窝或泡沫，使得两个面板保持一定的距离，从而加大了截面的惯性矩，增加了复合材料的界面弯曲刚度。

在采用高强度桁条对复合材料薄板进行增强时，常用的增强桁条形式为“T”型、“工”型和“L”型，其与复合材料壁板的连接方式主要有三种：一是将增强桁条预先成型，然后根据壁板需要的尺寸将桁条进行裁切加工，通过采用胶粘剂将桁条与壁板连接；二是采用机械连接的方式，将增强桁条通过螺栓、铆钉等与复合材料壁板连接；三是将增强桁条预先设计在壁板上，在壁板固化的同时完成增强桁条的成型、固定和连接。在采用夹芯结构形式增加复合材料刚度时，一般采用高强度的铝蜂窝、玻璃纸蜂窝或者PVC泡沫、PU泡沫等作为芯材，采用玻璃纤维复合材料或碳纤维复合材料等作为面板。夹芯结构复合材料的成型方式主要有下面4种：⑴预制粘接法：将芯材和面板分别制造，然后再将它们粘接成整体；⑵连续成型法：将复合材料面板成型与泡沫芯材成型同时进行，上述两者成型的同时完成复合材料的制造（本方法使用于泡沫夹芯结构）；⑶湿法成型：将芯材预先成型，之后将面板成型与粘接同时完成；⑷浇注成型法：预先成型复合材料面板，之后在两层面板之间泡沫，在形成泡沫芯材的同时完成粘接。

近年来，为了提高复合材料制品的质量和性能，一些先进工艺逐渐用于复合材料加筋薄板和夹芯结构的制造。在复合材料加筋薄板方面，中国专利CN 101417511就公布了一种使用真空辅助工艺成型加筋复合材料层合板的方法；而另一个中国专利CN 100999901公布了一种复合材料井盖，里面就提到了复合材料层合板的加强筋设置以及成型方法。在夹芯结构结构方面，中国专利CN 101352926B公布了一种大型复合材料制件的真空辅助成型方法。

但是，上述3项专利仅对加筋复合材料层合板或夹芯结构复合材料的一个方向进行了论述，而将增强筋和夹芯结构两种增强复合材料结构刚度的方法同时使用的结构和成型方法目前尚没有见到报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种含增强筋的夹芯结构复合材料及其制造方法，针对目前复合材料结构刚度较低的情况，将之前分别独立使用的增强筋增强方式和夹芯结构增强方式整合到一个结构中，提出了同时采用两种增强方式提高复合材料刚度的一种新的结构设计方式。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的一种含增强筋的夹芯结构复合材料，由内部芯材、增强筋、整体一次成型的纤维织物增强树脂复合材料层组成；纤维织物增强树脂复合材料层包裹在内部芯材上和增强筋上；

内部芯材是压缩强度应大于0.5Mpa的轻质浮力材料，包括但不仅限于聚氯乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、玻璃微珠增填充环氧树脂及balsa木等；内部芯材结构形式是蜂窝夹芯、泡沫夹芯、矩形夹芯、圆形夹芯中的一种或几种的组合；

增强筋由用胶粘剂与内部芯材连接在一起的轻质材料内模、包覆在轻质材料内模外表面的纤维织物层构成；轻质材料内模的结构形式是“T”型、“工”型、“L”型或“Π”型中的一种或几种的组合；轻质材料内模的材料为轻质浮力材料，包括但不仅限于聚氯乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、玻璃微珠增填充环氧树脂及balsa木等；

所述的纤维织物的纤维包括但不仅限于玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、超高分子量聚乙烯纤维及玄武岩纤维，织物结构包括但不仅限于平纹布、斜纹布、缎纹布、多轴向经编织物及三维织物；

所述的树脂包括但不仅限于聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂及酚醛树脂与相应固化剂反应后形成的固化物。树脂未反应时室温黏度要求最好低于600mPa·s，并且可以室温固化。

具体的，在内部芯材下表面可以设置有一组平行沟槽，其沟槽宽度为2～10mm，深度为1～7mm，沟槽间距s为20～100mm；沟槽不贯穿整个泡沫芯材表面，从泡沫芯材一端开始开槽至距离另一端s/2处停止。

本发明的一种舱室壁板用含增强筋的夹芯结构复合材料，其制造方法包括使用脱模剂、模具、定型剂、胶粘剂、脱模布、导流布、导流管、真空管、真空密封袋膜、密封胶带、真空泵，具体过程为：

（1）、内部芯材的制备：

内部芯材可以是蜂窝夹芯、泡沫夹芯、矩形夹芯、圆形夹芯中的一种或几种的组合；内部芯材的压缩强度应大于0.5MPa，包括但不仅限于轻质浮力材料、聚氯乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、聚氨酯泡沫及balsa木等。

在芯材下表面加工一组平行沟槽，其沟槽宽度为2～10mm，深度为1～7mm，沟槽间距s为20～100mm。沟槽不贯穿整个泡沫芯材表面，从泡沫芯材注入树脂的一端开始开槽至距离另一端s/2处停止。

（2）、增强筋的制备：

制备“T”型、“工”型、“L”型或“Π”型中的一种或几种的组合结构的轻质材料内模；并采用胶粘剂与夹芯结构芯材连接在一起，之后通过在轻质材料内模的外表面包覆纤维织物形成增强筋预制体。

轻质材料内模的压缩强度应大于0.5MPa，为轻质浮力材料、包括但不仅限于聚氯乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、聚氨酯泡沫及balsa木等；增强纤维包括但不仅限于玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、超高分子量聚乙烯纤维及玄武岩纤维，织物结构包括但不仅限于平纹布、斜纹布、缎纹布、多轴向经编织物及三维织物。

（3）、树脂的选择：适用于本专利的树脂包括但不仅限于低粘度的聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂及酚醛树脂等；室温黏度要求低于600mPa·s，并且在与固化剂及促进剂混合后可以室温固化。

（4）、纤维铺设

首先采用脱模剂对模具表面进行处理，之后将纤维织物在模具上按规定的厚度进行铺层作业，再将已开槽的内部芯材放置在铺敷完毕的织物上，其中内部芯材的沟槽加工面与已铺敷的织物相接触，最后用纤维织物对内部芯材以及轻质材料内模进行整体包覆；在包覆时，需要采用定型剂对纤维织物进行固定。

（5）、导流布设置

在包覆内部芯材以及增强筋内模的织物上铺设一层脱模布且在脱模布上再设置一层导流布；脱模布的尺寸需要完全覆盖内部芯材以及轻质材料内模。

（6）、注脚管路设置

导流管设置：当制品成型时铺设的导流布长度小于1.5m时，在芯材开设沟槽的一端设置一根导流管；当制品的导流布长度大于1.5m时，按照下面的方式设置多根导流管：第一根导流管设置在芯材开设沟槽的一端，之后每相距1m设置一根导流管，最后一根导流管与芯材另一端相距不足1m且不能设置在泡沫芯材之外。

真空管设置：在内部芯材沟槽未开通的一端设置真空管，真空管的长度与内部芯材相当，且距离铺设的增强纤维织物10～100mm。

（7）、密封

采用真空密封袋膜和密封胶带将上述已铺设的增强纤维织物、内部芯材、轻质材料内模和管道进行密封，且密封时避免由于皱褶引起的密封袋膜不能紧贴增强织物的状况。

（8）、注胶

开动真空泵，待密封袋膜内的真空压力≤-0.095MPa时，将混合固化剂及促进剂的树脂溶液通过注胶管注入导流管与导流布组成的导流系统，当树脂完全浸润纤维织物后，停止注胶和抽真空；树脂为低黏度树脂，室温黏度要求低于600mPa·s，并且可以室温固化。

（9）、固化及脱模

注入的树脂在放热固化之后，在室温条件下再固化24小时以上即可脱模。

本发明的含增强筋的夹芯结构复合材料平板及其制造方法，针对目前复合材料结构刚度较低的情况，将之前分别独立使用的增强筋增强方式和夹芯结构增强方式整合到一个结构中，提出了同时采用两种增强方式提高复合材料刚度的一种新的结构设计方式。该设计方式中，夹芯结构的面板和增强筋的材料都是采用复合材料，这就使得本发明可以一次整体成型出既有增强筋又有夹芯结构的制品，不仅可以增加复合材料刚度的设计空间，而且减少了后续的二次加工。在本发明中，针对含增强筋的夹芯结构复合材料，提出了一种采用真空辅助工艺进行整体成型的方法，解决了同时含有增强筋和夹芯结构两种结构形式制品的成型难题。

本专利的设计方式中，夹芯结构的面板和增强筋的材料都是采用复合材料，这就使得本发明可以一次整体成型出既有增强筋又有夹芯结构的制品，不仅可以增加复合材料刚度的设计空间，而且减少了后续的二次加工。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

（1）、本发明可以一次整体成型出既有增强筋又有夹芯结构的制品，不仅可以增加复合材料刚度的设计空间，而且减少了后续的二次加工；将之前分别独立使用的增强筋增强方式和夹芯结构增强方式整合在一起，增加了复合材料的设计手段，并且两种方式同时使用可以显著增强复合材料制品的刚度；减少了复合材料制品出现缺陷的可能性，因此可以有效提高复合材料制品的性能。

（2）、本发明提出的一种采用真空辅助工艺进行整体成型的方法，解决了同时含有增强筋和夹芯结构两种结构形式制品的成型难题。

（3）、由于真空辅助工艺为新型的近净工艺，几乎不产生有害气体挥发，可以有效保护操作人员的身体健康。

附图说明

图1是内部芯材及轻质材料内模预处理示意图。

图2是含增强筋的夹芯结构复合材料平板示意图。

图3是含增强筋的夹芯结构尺寸图。

图4是含增强筋的夹芯结构成型示意图。

图中，1-内部芯材；2-轻质材料内模；3-胶粘剂；4-夹芯结构面板；5-增强筋；6-脱模布；7-导流布；8-注胶管；9-真空管。

图3的尺寸A、B、C、D、E、F分别为400mm、400mm、400mm、400mm、40mm、60mm。

具体实施方式

下面结合附图对本专利进一步解释说明。但本专利的保护范围不限于具体的实施方式。

一种含增强筋的夹芯结构复合材料平板制品，其截面尺寸如图3所示，长度为1470mm。其中夹芯结构的芯材采用密度200kg/m³的聚氯乙烯泡沫塑料，增强筋内模采用80 kg/m³的聚氯乙烯泡沫塑料。夹芯结构面板和“Π”型增强筋都采用玻璃纤维复合材料，其中夹芯结构面板厚度为2mm，“Π”型增强筋的复合材料厚度为6mm。增强材料采用面密度220g/m²的S玻纤缎纹布，基体树脂采用的是25℃下粘度为240mPa·s的乙烯基酯树脂，利用本专利的真空辅助成型方案来实施成型，其工艺实施过程见图4。

①将密度200kg/ m³的聚氯乙烯泡沫塑料粘接成1470mm×1600mm的一整块平板，在1600mm长度方向上开设一组沟槽，沟槽的宽度为2mm，深度为2mm，沟槽间距为30mm，其中芯材未开通沟槽的距离为15mm。

②将采用密度80kg/ m³的聚氯乙烯泡沫塑料制作的增强筋内模通过环氧胶粘剂与200kg/ m³的聚氯乙烯芯材粘接在一起，其中三个增强筋内模的间隔距离见图2；胶粘剂室温固化6h后备用。

③先采用丙酮清理模具，去除油污、灰尘；之后采用脱模剂在模具上均匀涂抹3遍，每遍间隔30min～45min。

④将10层按尺寸裁减好的S玻纤缎纹布铺敷在已清理并涂抹脱模剂的模具上，并用毛辊碾平；之后把泡沫芯材放置在玻纤织物上，并将沟槽面与织物接触。

⑤在增强筋内模的表面上放置20层S玻纤缎纹布，并采用定型剂固定；之后再将10层S玻纤缎纹布铺敷在泡沫芯材和增强筋内模上。

⑥将四周尺寸都大于织物20mm的脱模布完全覆盖夹芯结构和增强筋的预成型体上；导流布设置在脱模布上，其在开槽一端超出夹层结构预成型体30mm，另一端设置在距离预成型体边缘60mm的纤维织物上；导流管的一根设置在导流布的超出部分，另一根设置在距离1000mm的地方，真空管设置在距离夹层结构预成型体的50mm处。

⑦采用真空袋膜和密封胶带将夹层结构预成型体密封，同时将真空管与真空泵连接。

⑧将乙烯基树脂、过氧化甲乙酮（MEKP）和萘酸钴按照100：2：（0.4～1.0）的比例混合均匀，等到真空压力≤-0.095MPa时将树脂注入，待织物完全被浸润后封闭注胶管。

⑨室温固化24h后脱模。

Claims (6)

1.一种含增强筋的夹芯结构复合材料，其特征是：含增强筋的夹芯结构复合材料由内部芯材、增强筋、整体一次成型的纤维织物增强树脂复合材料层组成；纤维织物增强树脂复合材料层包裹在内部芯材上和增强筋上；

内部芯材是压缩强度大于0.5Mpa的轻质浮力材料，内部芯材结构形式是蜂窝夹芯、泡沫夹芯、矩形夹芯、圆形夹芯中的一种或几种的组合；

增强筋由用胶粘剂与内部芯材连接在一起的轻质材料内模、包覆在轻质材料内模外表面的纤维织物层构成；轻质材料内模的结构形式是“T”型、“工”型、“L”型或“Π”型中的一种或几种的组合；轻质材料内模的材料为轻质浮力材料；

所述的纤维织物的纤维为玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、超高分子量聚乙烯纤维及玄武岩纤维的任一种；织物结构为平纹布、斜纹布、缎纹布、多轴向经编织物及三维织物的任一种；

所述的树脂为聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂及酚醛树脂与相应固化剂反应后形成的固化物。

2.根据权利要求1所述含增强筋的夹芯结构复合材料，其特征是：所述的轻质浮力材料为聚氯乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、玻璃微珠增填充环氧树脂及balsa木的任一种。

3.根据权利要求1所述含增强筋的夹芯结构复合材料，其特征是：所述的轻质材料内模的材料为聚氯乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、玻璃微珠增填充环氧树脂或balsa木。

4.根据权利要求1所述含增强筋的夹芯结构复合材料，其特征是：所述的树脂未反应时室温黏度低于600mPa·s，并且在与固化剂及促进剂混合后可以室温固化。

5.根据权利要求1所述含增强筋的夹芯结构复合材料，其特征是：所述的内部芯材下表面设置有一组平行沟槽，其沟槽宽度为2～10mm，深度为1～7mm，沟槽间距s为20～100mm；沟槽不贯穿整个泡沫芯材表面，从泡沫芯材一端开始开槽至距离另一端s/2处停止。

6.一种权利要求1所述含增强筋的夹芯结构复合材料的制备方法，其特征是：包括使用脱模剂、模具、定型剂、胶粘剂、脱模布、导流布、导流管、真空管、真空密封袋膜、密封胶带、真空泵，具体过程为：

（1）、内部芯材的制备：

内部芯材是蜂窝夹芯、泡沫夹芯、矩形夹芯、圆形夹芯中的一种或几种的组合；内部芯材的压缩强度大于0.5MPa，为轻质浮力材料；

在芯材下表面加工一组平行沟槽，其沟槽宽度为2～10mm，深度为1～7mm，沟槽间距s为20～100mm；沟槽不贯穿整个泡沫芯材表面，从泡沫芯材注入树脂的一端开始开槽至距离另一端s/2处停止；

（2）、增强筋的制备：

制备“T”型、“工”型、“L”型或“Π”型中的一种或几种的组合结构的轻质材料内模；并采用胶粘剂与夹芯结构芯材连接在一起，之后通过在轻质材料内模的外表面包覆纤维织物形成增强筋预制体；

轻质材料内模的压缩强度应大于0.5MPa，为轻质浮力材料；增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、超高分子量聚乙烯纤维及玄武岩纤维任一种，织物结构为平纹布、斜纹布、缎纹布、多轴向经编织物及三维织物的任一种；

（3）、树脂的选择：树脂为聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂或酚醛树脂；室温黏度要求低于600mPa·s，并且在加入相应固化剂后可以室温固化；

（4）、纤维铺设

首先采用脱模剂对模具表面进行处理，之后将纤维织物在模具上按规定的厚度进行铺层作业，再将已开槽的内部芯材放置在铺敷完毕的织物上，其中内部芯材的沟槽加工面与已铺敷的织物相接触，最后用纤维织物对内部芯材以及轻质材料内模进行整体包覆；在包覆时，需要采用定型剂对纤维织物进行固定；

（5）、导流布设置

在包覆内部芯材以及轻质材料内模的织物上铺设一层脱模布且在脱模布上再设置一层导流布；脱模布的尺寸需要完全覆盖内部芯材以及轻质材料内模；

（6）、注脚管路设置

导流管设置：当制品成型时铺设的导流布长度小于1.5m时，在芯材开设沟槽的一端设置一根导流管；当制品的导流布长度大于1.5m时，按照下面的方式设置多根导流管：第一根导流管设置在芯材开设沟槽的一端，之后每相距1m设置一根导流管，最后一根导流管与芯材另一端相距不足1m且不能设置在泡沫芯材之外；

真空管设置：在内部芯材沟槽未开通的一端设置真空管，真空管的长度与内部芯材相当，且距离铺设的增强纤维织物10～100mm；

（7）、密封

采用真空密封袋膜和密封胶带将上述已铺设的增强纤维织物、内部芯材、轻质材料内模和管道进行密封，且密封时避免由于皱褶引起的密封袋膜不能紧贴增强织物的状况；

（8）、注胶

开动真空泵，待密封袋膜内的真空压力≤-0.095MPa时，将混合固化剂及促进剂的树脂溶液通过注胶管注入导流管与导流布组成的导流系统，当树脂完全浸润纤维织物后，停止注胶和抽真空；

（9）、固化及脱模

注入的树脂在放热固化之后，在室温条件下再固化24小时以上即可脱模。

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