CN105015047A - 一种树脂蜂窝夹芯结构及其复合材料结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种树脂蜂窝夹芯结构及其复合材料结构的制备方法，主要解决传统蜂窝夹芯结构在水分侵蚀下力学性能下降及成型工艺较为繁琐，制造成本较高的技术问题，而提供一种闭孔蜂窝的结构，并采用该蜂窝制备出蜂窝夹芯复合材料结构。具体地说本发明所设计的一类闭孔蜂窝结构，是通过结构设计出闭孔蜂窝单元，采用3D打印技术来制备闭孔树脂蜂窝夹芯结构，后采用真空袋或树脂传递模塑成型工艺，将树脂蜂窝夹芯结构与复合材料面板粘接成复合材料蜂窝夹芯结构。具有制造方法简便、产品质量可靠及降低生产成本的特点。为复合材料蜂窝夹芯结构在航空航天、车辆、船舶等高技术领域的应用奠定了良好的基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种树脂蜂窝夹芯结构及其复合材料结构的制备方法，属于复合材料的制备和应用技术领域。
背景技术
蜂窝夹芯复合材料结构是以多孔蜂窝材料为芯材，纤维增强树脂基复合材料为面板的夹芯结构。复合材料面板具有优异的力学性能；而蜂窝芯材可均匀分散载荷，避免了面板由于应力集中而产生的破坏，因此蜂窝夹芯复合材料结构具有优异的压缩性能和弯曲性能。
蜂窝芯材最早出现于上世纪三十年代，英国人Norman Debruyne设计并制造了六边形的铝质蜂窝结构，二战期间该结构成功的应用于飞机夹层结构设计，随后美国在其研制的F-111、F-14等飞机上使用面积占飞机表面总面积的70％以上，波音公司在其设计的Boeing747飞机上首先使用芳纶纸蜂窝复合板作为飞机的地板结构，开创了蜂窝复合材料应用的新领域。目前蜂窝结构材料在飞机、火箭及航天飞行器的设计中正得到越来越广泛的使用。
蜂窝芯材的发展经历了铝蜂窝、芳纶纸蜂窝(Nomex)的发展历程。尽管采用铝蜂窝或芳纶纸蜂窝制备的夹芯复合材料具有较为优异的力学性能，但铝蜂窝和纸蜂窝属于开孔蜂窝材料，蜂窝夹芯材料在使用过程中，尤其在面板出现裂纹和孔隙时，水分很容易进入蜂窝网格区域，在低温条件下水分发生凝固体积膨胀，使邻近的蜂窝网格结构发生破坏，导致夹层结构的力学性能下降。有数据表明多数蜂窝夹芯结构雷达罩，因蜂窝进水而需要维修，大大缩短了飞行器的平均无故障飞行时间。尽管夹芯结构的使用可大幅度降低飞机的重量，而蜂窝夹芯结构高昂的成本和维护费用让各航空公司望而却步，转而寻找更为可靠的夹芯结构。此外采用铝蜂窝或芳纶纸蜂窝制备复合材料时，需要根据夹芯结构对蜂窝芯材进行外形加工，然后才能与面板进行粘接，最终制备成各种不同形状的蜂窝夹芯结构，成型工艺较为繁琐，制造成本较高。
3D打印技术是一种较为先进的材料成型技术,该技术采用先“微分”后“积分”的原理，先将实体模型进行剖切，获得各剖面的形态；后采用“积分原理”把实体的每一个剖面依次成型，最终制备出完整实体的过程。3D打印可制备出各种复杂形状的实体，具有高效率、高精度的特点。
发明内容
本发明以解决上述问题为目的，主要解决传统蜂窝网格结构在水分侵蚀条件下力学性能下降及成型工艺较为繁琐，制造成本较高的技术问题，而提供一种闭孔的树脂蜂窝夹芯结构及制备方法，并采用该蜂窝制备出蜂窝夹芯复合材料结构。具体地说本发明所设计一类闭孔蜂窝结构，采用3D打印技术来实现闭孔蜂窝芯材的制备，后采用真空袋或树脂传递模塑成型工艺，将蜂窝芯模与复合材料面板粘接成复合材料蜂窝夹芯结构。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：一种树脂蜂窝夹芯结构及其复合材料结构的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)采用UG、Pro/Engineer、CAD软件建立树脂蜂窝夹芯结构模型，闭孔蜂窝芯单元包括上封闭平面、蜂窝、下封闭平面三部分组成。树脂蜂窝夹芯结构模型由闭孔蜂窝芯单元沿着厚度方向重复打印形成。
(2)采用Replicator或Cura切片软件将蜂窝芯模的模型进行剖分，获得各剖面的形状及控制代码，并依次生成振镜或十字滑台的运动代码序列或生成投影仪的投影图案。
(3)将高性能光敏树脂及短纤维置于超声波振荡器中,震荡至纤维分散均匀。
(4)将步骤(3)制备的光敏树脂混合物倒入透明胶槽中，将样品台向下运动，直至与透明胶槽底部接触。
(5)计算机运行打印软件，执行步骤(2)所生成的代码，控制扫描机构带动激光器运动，光线由透明胶槽底部向样品台方向照射，使光敏树脂固化并粘接在样品台上，当每一个剖面固化完成后，将样品台向上移动1个固化厚度，依次生成夹芯结构的各剖面图形，最终获得树脂蜂窝夹芯结构。
(6)将树脂蜂窝夹芯结构由样品台上取下，采用紫外线灯继续照射，直至光敏树脂完全固化。
(7)将树脂蜂窝夹芯结构用细砂纸将表面打磨粗糙，并在其表面涂覆热固性树脂。
(8)将纤维预浸布按树脂蜂窝夹芯结构表面轮廓剪裁，在树脂蜂窝夹芯结构表面铺放(若采用树脂传递模塑成型工艺，则铺放纤维布)。
(9)将铺好纤维预浸布的树脂蜂窝夹芯结构放入真空袋中,抽真空使真空袋均匀的贴附于工件表面(若采用树脂传递模塑成型工艺，则抽真空过程注入热固性树脂)。
(10)将装有工件的真空袋置于热压罐或鼓风干燥箱中进行固化。
(11)完成固化后将复合材料夹芯结构取出，最终获得树脂蜂窝夹芯复合材料。
上述树脂蜂窝夹芯结构为闭孔蜂窝芯单元，沿着厚度方向重复打印而成，闭孔蜂窝芯单元可以为平面，也可以为曲面。闭孔蜂窝芯单元由：上封闭平面、蜂窝、下封闭平面三部分组成。蜂窝截面为六边形蜂窝或矩形蜂窝依次排列而成，蜂窝壁厚0.1-10mm；蜂窝单元高度为2-300mm；上、下封闭平面起封闭蜂窝孔，形成闭孔蜂窝的作用，厚度为0.05-5mm。
上述高性能光敏树脂为：不饱和聚酯光敏树脂、环氧光敏树脂、丙烯酸型光敏树脂(如：深圳宝丽摩科技有限公司研发的Cute-Ⅰ、Cute-Ⅱ、Cute-Ⅶ光敏树脂或帝斯曼公司(DSM)生产的系列光敏树脂)。
上述短纤维为：短切碳纤维、短切玻璃纤维、短切芳纶纤维、短切PBO纤维、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳化硅晶须、气相生长碳纤维中的一种或几种。
上述紫外线灯功率为5-300瓦。
上述热固性树脂为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂中的一种。
上述纤维布为：碳纤维布、玻璃纤维布、芳纶纤维布、PBO纤维布。纤维预浸布为：浸渍环氧树脂、不饱和聚酯、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂的碳纤维布、玻璃纤维布、芳纶纤维布、PBO纤维布,纤维预浸布层数可为1-100层。
本发明的优点及有益效果：
制造方法简便、产品质量可靠，具有较强的可操作性，可用于高性能复合材料夹芯结构的制造。采用本方法制备的树脂蜂窝夹芯结构不仅具有蜂窝尺寸可设计、蜂窝密度可调控的特点，还可以根据复合材料夹芯结构曲面形状，打印出相应形状的蜂窝结构，省去传统铝蜂窝、纸蜂窝使用过程繁琐的机加工艺，有利于降低生产成本。采用该树脂蜂窝芯材制备的复合材料蜂窝夹芯结构具有可设计性强、质量稳定、密度小、力学性能可靠及强度高的特点，可满足航空航天领域对高性能蜂窝夹芯结构的需求，为蜂窝夹芯结构在航空航天、车辆、船舶等高技术领域的应用奠定了良好的基础。
附图说明
图1为闭孔蜂窝芯单元示意图。
图中：1、上封闭平面；2、蜂窝；3、下封闭平面。
图2为树脂蜂窝夹芯结构。
图3六边形蜂窝结构。
图4矩形蜂窝结构。
图5树脂蜂窝夹芯结构打印设备示意图。
图中：4、升降滑台；5、透明胶槽；6、扫描光线；7、扫描机构、8样品台。
参照图1-4，一种树脂蜂窝夹芯结构由闭孔蜂窝芯单元沿着厚度方向重复打印而成，闭孔蜂窝芯单元包括上封闭平面1和下封闭平面3，所述的上封闭平面1和下封闭平面3的间设有蜂窝2，所述蜂窝2的形状呈六边形或矩形。
具体实施方式
以下实施例用以说明本发明。
实施例1
参照图5，采用UG、Pro/Engineer、CAD软件建立正六边形边长为10mm，蜂窝壁厚0.3mm；闭孔蜂窝芯单元高10mm，封闭平面厚0.3mm；闭孔蜂窝芯模厚度为30mm的六边形树脂蜂窝夹芯结构。采用Replicator或Cura切片软件将树脂蜂窝夹芯结构进行剖分，获得各剖面的形状，并依次生成振镜运动代码序列。深圳宝丽摩科技有限公司的Cute-Ⅶ光敏树脂及碳纳米管置于超声波振荡器中,震荡分散1小时。将上一步制备的光敏树脂混合物倒入透明胶槽5中。将样品台向下运动与透明胶槽5的底部接触。计算机运行深圳宝丽摩科技有限公司研发的Smart-Ⅰ打印软件，执行蜂窝芯模剖分生成的代码，控制扫描机构7驱动激光器工作，产生扫描光线6由透明胶槽5底部向样品台8方向照射，使Cute-Ⅶ光敏树脂固化并粘接在样品台8底部，当每一个剖面固化完成后，通过升降滑台4将样品台向上移动1个固化厚度(采用Cute-Ⅶ光敏胶，固化厚度约0.05mm)，依次生成夹芯结构的各剖面图形，最终获得树脂蜂窝夹芯结构。将树脂蜂窝夹芯结构由样品台上8取下，采用功率为50瓦的紫外灯继续照射，直至光敏树脂完全固化。将树脂蜂窝夹芯结构用细砂纸将表面打磨粗糙，并在涂覆环氧树脂。将环氧纤维预浸布按树脂蜂窝夹芯结构表面轮廓剪裁，在树脂蜂窝夹芯结构表面铺放，纤维预浸布层数可为10层。将铺好纤维预浸布的树脂蜂窝夹芯结构放入真空袋中,抽真空使真空袋均匀的贴附于工件表面。将装有工件的真空袋置于热压罐或鼓风干燥箱中进行固化。完成固化后将复合材料夹芯结构取出，最终获得树脂蜂窝夹芯复合材料。
实施例2
采用UG、Pro/Engineer、CAD软件建立正方形边长为10mm，蜂窝壁厚0.1mm；闭孔蜂窝芯单元高6mm，封闭平面厚0.2mm；闭孔蜂窝芯模厚度为30mm的正方形蜂窝夹芯结构。采用Replicator或Cura切片软件将树脂蜂窝夹芯结构进行剖分，获得各剖面的形状，并依次生成振镜运动代码序列。深圳宝丽摩科技有限公司研发的Cute-Ⅱ光敏树脂及气相生长碳纤维置于超声波振荡器中,震荡分散2小时。将上述制备的光敏树脂混合物倒入透明胶槽5中。将样品台向下运动与透明胶槽5底部接触。计算机运行深圳宝丽摩科技有限公司研发的Smart-Ⅰ打印软件，执行树脂蜂窝夹芯结构剖分所生成的代码，控制扫描机7构带动激光器运动，光线由透明胶槽5底部向样品台方向照射，使光敏树脂固化并粘接在样品台8上，当每一个剖面固化完成后，通过升降滑台4将样品台向上移动1个固化厚度(采用Cute-Ⅱ光敏胶，固化厚度约0.05mm)，依次生成夹芯结构的各剖面图形，最终获得树脂蜂窝夹芯结构。将树脂蜂窝夹芯结构由样品台8上取下，采用功率为30瓦的紫外灯继续照射，直至光敏树脂完全固化。将树脂蜂窝夹芯结构用细砂纸将表面打磨粗糙，并在涂覆双马来酰亚胺树脂。将双马来酰亚胺纤维预浸布按树脂蜂窝夹芯结构表面轮廓剪裁，在树脂蜂窝夹芯结构表面铺放，纤维预浸布层数可为5层。将铺好纤维预浸布的树脂蜂窝夹芯结构放入真空袋中,抽真空使真空袋均匀的贴附于工件表面。将装有工件的真空袋置于热压罐或鼓风干燥箱中进行固化。完成固化后将复合材料夹芯结构取出，最终获得树脂蜂窝夹芯复合材料。
Claims (10)
1.一种树脂蜂窝夹芯结构及其复合材料结构，其特征在于：该结构采用3D打印技术制备闭孔的树脂蜂窝夹芯结构,后将树脂蜂窝夹芯结构与复合材料面板复合可制备出复合材料蜂窝夹芯结构。
2.制备如权利要求1所述的树脂蜂窝夹芯结构及其复合材料结构的方法树脂蜂窝夹芯结构的方法，该方法包括如下步骤：
(1)采用UG、Pro/Engineer、CAD软件建立树脂蜂窝夹芯结构模型，采用Replicator或Cura切片软件将蜂窝芯模的模型进行剖分，获得各剖面的形状及控制代码，并依次生成振镜、十字滑台的运动代码序列或生成投影仪的投影图案；
(2)将高性能光敏树脂及短纤维置于超声波振荡器中,震荡至纤维分散均匀；
(3)将步骤(2)制备的光敏树脂混合物倒入透明胶槽中；
(4)将样品台向下运动，直至与透明胶槽底部接触；
(5)计算机运行打印软件，执行步骤(1)所生成的代码，控制扫描机构带动激光器运动或投影仪工作，光线由胶槽底部向样品台方向照射，使光敏树脂固化并粘接在样品台上，当每一个剖面固化完成后，将样品台向上移动1个固化厚度，依次生成夹芯结构的各剖面图形，最终获得树脂蜂窝夹芯结构；
(6)将树脂蜂窝夹芯结构由样品台上取下，采用紫外线灯继续照射，直至光敏树脂完全固化；
(7)将树脂蜂窝夹芯结构用细砂纸将表面打磨粗糙，并在其表面涂覆热固性树脂；
(8)将纤维预浸布按树脂蜂窝夹芯结构表面轮廓剪裁，在树脂蜂窝夹芯结构表面铺放，若采用树脂传递模塑成型工艺，则铺放纤维布；
(9)将铺好纤维预浸布的树脂蜂窝夹芯结构放入真空袋中,抽真空使真空袋均匀的贴附于工件表面，若采用树脂传递模塑成型工艺，则在抽真空的同时注入热固性树脂；
(10)将装有工件的真空袋置于热压罐或鼓风干燥箱中进行固化；
(11)完成固化后将复合材料夹芯结构取出，最终获得树脂蜂窝夹芯复合材料。
3.如权利要求2所述的树脂蜂窝夹芯结构及其复合材料结构的方法，该方法的步骤(2)中所述的高性能光敏树脂为：不饱和聚酯光敏树脂、环氧光敏树脂、丙烯酸型光敏树脂，所述的短纤维为：短切碳纤维、短切玻璃纤维、短切芳纶纤维、短切PBO纤维、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳化硅晶须、气相生长碳纤维中的一种或几种。
4.如权利要求2所述的树脂蜂窝夹芯结构及其复合材料结构的方法，该方法的步骤(6)中所述的紫外线灯的功率为5-300瓦。
5.如权利要求2所述的树脂蜂窝夹芯结构及其复合材料结构的方法，该方法的步骤(7)中所述的热固性树脂为：环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂中的一种。
6.如权利要求2所述的树脂蜂窝夹芯结构及其复合材料结构的方法，该方法的步骤(7)中所述的的纤维布为：碳纤维布、玻璃纤维布、芳纶纤维布、PBO纤维布，纤维预浸布为：浸渍环氧树脂、不饱和聚酯、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂的碳纤维布、玻璃纤维布、芳纶纤维布、PBO纤维布中的一种或多种,其纤维预浸布层数可为1-100层。
7.如权利要求2所述的树脂蜂窝夹芯结构及其复合材料结构的方法，该方法的步骤(9)中所述的热固性树脂为：环氧树脂、不饱和聚酯、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂中的一种。
8.如权利要求1所述的树脂蜂窝夹芯结构，其特征在于：闭孔蜂窝夹芯单元由：上封闭平面、蜂窝、下封闭平面三部分组成，蜂窝的截面为六边形蜂窝或矩形蜂窝依次排列而成，蜂窝壁厚0.1-10mm；蜂窝单元高度为2-300mm；上、下封闭平面起封闭蜂窝孔，形成闭孔蜂窝的作用，厚度为0.05-5mm，闭孔蜂窝夹芯单元可以为平面，也可以为曲面，树脂蜂窝夹芯结构为蜂窝夹芯单元沿着厚度方向重复打印而成。
9.如权利要求2所述的树脂蜂窝夹芯结构及其复合材料结构的方法，该方法的具体步骤：
采用UG、Pro/Engineer、CAD软件建立正六边形边长为10mm，蜂窝壁厚0.3mm；闭孔蜂窝芯单元高10mm，封闭平面厚0.3mm；闭孔蜂窝芯模厚度为30mm的六边形树脂蜂窝夹芯结构，采用Replicator或Cura切片软件将树脂蜂窝夹芯结构进行剖分，获得各剖面的形状，并依次生成振镜运动代码序列，将光敏树脂及碳纳米管置于超声波振荡器中,震荡分散1小时，将上一步制备的光敏树脂混合物倒入透明胶槽中，将样品台向下运动与透明胶槽的底部接触，计算机运行打印软件，执行蜂窝芯模剖分生成的代码，控制扫描机构驱动激光器工作，产生扫描光线由透明胶槽底部向样品台方向照射，使Cute-Ⅶ光敏树脂固化并粘接在样品台底部，当每一个剖面固化完成后，通过升降滑台4将样品台向上移动1个固化厚度，固化厚度0.05mm，依次生成夹芯结构的各剖面图形，最终获得树脂蜂窝夹芯结构，将树脂蜂窝夹芯结构由样品台8取下，采用功率为50瓦的紫外灯继续照射，直至光敏树脂完全固化，将树脂蜂窝夹芯结构用细砂纸将表面打磨粗糙，并在涂覆环氧树脂，将环氧纤维预浸布按树脂蜂窝夹芯结构表面轮廓剪裁，在树脂蜂窝夹芯结构表面铺放，纤维预浸布层数可为10层，将铺好纤维预浸布的树脂蜂窝夹芯结构放入真空袋中,抽真空使真空袋均匀的贴附于工件表面，将装有工件的真空袋置于热压罐或鼓风干燥箱中进行固化，完成固化后将复合材料夹芯结构取出，最终获得树脂蜂窝夹芯复合材料。
10.如权利要求2所述的树脂蜂窝夹芯结构及其复合材料结构的方法，该方法的具体步骤：
采用UG、Pro/Engineer、CAD软件建立正方形边长为10mm，蜂窝壁厚0.1mm；闭孔蜂窝芯单元高6mm，封闭平面厚0.2mm；闭孔蜂窝芯模厚度为30mm的正方形蜂窝夹芯结构，采用Replicator或Cura切片软件将树脂蜂窝夹芯结构进行剖分，获得各剖面的图案，并依次编号排列，将Cute-Ⅱ光敏树脂及气相生长碳纤维置于超声波振荡器中,震荡分散2小时，将上述制备的光敏树脂混合物倒入透明胶槽中，将样品台向下运动与透明胶槽底部接触，计算机运行打印软件，按照编号的顺序通过投影仪依次投影各剖面的图案，投影仪的光线由透明胶槽底部向样品台方向照射，使光敏树脂固化并粘接在样品台上，当每一个剖面固化完成后，通过升降滑台4将样品台向上移动1个固化厚度，固化厚度0.05mm，依次生成夹芯结构的各剖面图形，最终获得树脂蜂窝夹芯结构，将树脂蜂窝夹芯结构由样品台8上取下，采用功率为30瓦的紫外灯继续照射，直至光敏树脂完全固化，将树脂蜂窝夹芯结构用细砂纸将表面打磨粗糙，并在涂覆双马来酰亚胺树脂，将双马来酰亚胺纤维预浸布按树脂蜂窝夹芯结构表面轮廓剪裁，在树脂蜂窝夹芯结构表面铺放，纤维预浸布层数可为5层，将铺好纤维预浸布的树脂蜂窝夹芯结构放入真空袋中,抽真空使真空袋均匀的贴附于工件表面，将装有工件的真空袋置于热压罐或鼓风干燥箱中进行固化，完成固化后将复合材料夹芯结构取出，最终获得树脂蜂窝夹芯复合材料。
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