CN106494022A - 点阵增强泡沫夹芯预成型体及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种点阵增强泡沫夹芯预成型体及其制备方法和应用，点阵增强泡沫夹芯预成型体包括上层纤维织物、泡沫芯材、下层纤维织物和纱线；上层纤维织物、泡沫芯材和下层纤维织物依次叠加，通过纱线缝合。其制备方法包括以下步骤：裁剪相同尺寸的纤维布和泡沫芯材，将裁剪后的纤维布分别铺覆在泡沫芯材的上表面和下表面，进行喷胶粘贴形成夹芯结构；将夹芯结构用纱线缝合得到点阵增强泡沫夹芯预成型体。本发明的点阵增强泡沫夹芯预成型体抗冲刷性能好、纤维织物层间贴合密实，可应用于制备力学性能更好、更稳定的坦克旋转底板用复合材料。

Description

点阵增强泡沫夹芯预成型体及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及泡沫夹芯复合材料预成型体的制备工艺技术领域，尤其涉及一种点阵增强泡沫夹芯预成型体及其制备方法和应用。
背景技术
夹芯结构是由上下两层薄而刚的复合材料面板和中间一块轻而厚的芯材粘接而成的轻质高强结构，中间粘接较厚的芯材使得上下面板远离中性面，大大增加了结构的截面惯性矩，充分发挥了面板的抗弯性能，在整体结构重量微小增加的情况下，能够大幅度提高结构的弯曲性能。夹芯结构的面板与轻质芯材通过一定的方式粘接在一起，从而实现载荷在面板和芯子之间传递，然而对于传统的泡沫夹芯结构而言，由于其面芯是通过粘结剂或面板成型过程中的树脂粘接而成的，其界面的结合强度一般比较低，再者泡沫型芯本身具有很低的压缩强度。面芯界面结合强度低、型芯强度低等因素降低了泡沫夹芯结构的力学性能并限制了其应用范围，如很低的平压强度和模量；在弯曲或剪切载荷下，容易出现面芯界面脱粘破坏和泡沫芯剪切破坏等破坏模式；在冲击载荷作用下，容易出现面芯界面分层破坏，从而降低结构的冲击损伤容限。
由于传统泡沫夹芯结构面芯界面结合强度低、型芯强度低，使得其Z向强度和刚度低，冲击损伤容限低，这严重限制了复合材料泡沫夹芯结构在主承力结构上的应用，为了解决这一问题，国外学者先后提出了一些泡沫夹芯结构Z向增强的概念和方法。泡沫夹芯结构Z向增强技术解决了传统泡沫夹芯结构面芯结合强度低、型芯强度低的问题，提高了其冲击损伤容限，扩展了泡沫夹芯复合材料在航空航天、高速列车、船舶、建筑等领域中的应用范围，因此引起了国内外研究人员的极大关注。Z向增强泡沫夹芯结构复合材料是一种新型轻质夹芯材料，其结构种类繁多，主要包括Z-pin增强泡沫夹芯结构和缝纫增强泡沫夹芯结构。
Z-pin增强泡沫夹芯结构用细长的复合材料纤维杆或金属杆按一定的角度嵌入硬质闭孔泡沫中构成空间网架结构对其进行三维增强，典型的Z-pin增强泡沫夹芯结构如图1所示，纤维销钉的引入不仅可以提高面芯界面的结合强度，还可以增大泡沫芯子的压缩强度，因此整体结构的力学性能大幅度提高。Z-pin的直径很小，一般为0.15-1.0mm，根据嵌入Z-pin形状的不同可将Z-pin增强泡沫夹芯结构分为X-cor和K-cor增强泡沫夹芯结构，前者是将Z-pin的两头预留出一小部分削尖并植入上下面板，以增强面芯结合强度；后者则是将上下露出泡沫芯子的纤维杆折弯平铺在芯子表面，再利用粘结剂把K-cor增强的泡沫芯与上下面板粘接起来，并具有较好的层间结合性能，具体的结构如图2所示。
采用手工缝合的方法制备缝纫增强泡沫夹芯复合材料预成型体，其缝合过程如图3所示。首先在泡沫芯材上按点阵构型打出缝合针孔，然后按照平面2所示的缝合方式缝合Y方向，再按照平面1所示的缝合方式缝合Y方向，依次重复以上操作完成整个Y方向的缝合；再分别按照平面3、平面4所示的缝合方式完成整个X方向的缝合，缝合过程中所有缝线不交叉。该工艺解决了传统泡沫夹层结构面芯粘接弱的问题，大幅度提高了夹层结构的平压、弯曲和剪切等性能，而且一体化成型简化了整个工艺过程，便于操作。
Z-pin增强和缝纫增强解决了传统泡沫夹层结构面芯粘接弱的问题，不仅提高了面芯界面的结合强度，还大幅度增大了夹芯结构的平压、弯曲和剪切等性能，同时解决了受到冲击后易产生分层、承受较大载荷时易产生破坏性损伤等问题，从而提高结构的损伤容限。但是，这两种增强方法又存在各自的不足，如：Z-pin增强方法中Z-pin的制备过程及Z-pin的植入工艺复杂，不易实现；而采用人工缝合，工作效率较低，而且会引入人为操作的影响，使得复合材料性能不稳定，离散系数较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种抗冲刷性能好、纤维织物层间贴合密实的真空导入模塑工艺用点阵增强泡沫夹芯结构预成型体，还提供一种步骤简单、成本低、产品性能优异的点阵增强预成型体制备方法。本发明的点阵增强泡沫夹芯预成型体可用于制备力学性能更好、更稳定的坦克旋转底板。
为解决上述技术问题，提供了一种点阵增强泡沫夹芯预成型体，包括上层纤维织物、泡沫芯材、下层纤维织物和纱线；所述上层纤维织物、泡沫芯材和下层纤维织物依次叠加，通过纱线缝合。
上述的点阵增强泡沫夹芯预成型体，优选的，所述上层纤维织物为玻璃纤维或石英纤维；所述下层纤维织物玻璃纤维或石英纤维。
上述的点阵增强泡沫夹芯预成型体，优选的，所述上层纤维织物由1～3层玻璃纤维或1～3层石英纤维依次铺覆而成；所述下层纤维织物由1～3层玻璃纤维或1～3层石英纤维依次铺覆而成。
上述的点阵增强泡沫夹芯预成型体，优选的，所述泡沫芯材为聚氯乙烯泡沫、聚醚酰亚胺泡沫、聚酰亚胺泡沫、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫中的一种。优选的，所述纱线为碳纤维纱线、芳纶纤维纱线、石英纤维纱线、玻璃纤维纱线或高硅氧纤维纱线中的一种。
上述的点阵增强泡沫夹芯预成型体，优选的，所述纱线将所述上层纤维织物、泡沫芯材和下层纤维织物进行链式缝合。
上述的点阵增强泡沫夹芯预成型体，优选的，所述纱线的缝合角度为63°～90°；缝合针距为10mm～30mm；所述纱线的密度为300tex～2400tex；所述泡沫芯材的厚度为26mm～30mm。所述缝合的密度为10mm～20mm×10mm～30mm。
作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述点阵增强泡沫夹芯预成型体的制备方法，包括以下步骤：
(1)裁剪相同尺寸的纤维织物和泡沫芯材，将裁剪后的纤维织物分别铺覆在泡沫芯材的上表面和下表面作为上层纤维织物和下层纤维织物，进行喷胶粘贴形成夹芯结构；
(2)将步骤(1)的所述夹芯结构用纱线缝合得到点阵增强泡沫夹芯预成型体。
作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述点阵增强泡沫夹芯预成型体或上述制备方法制备得到的点阵增强泡沫夹芯预成型体在制备坦克旋转底板复合材料中的应用。
上述的应用，优选的，所述应用方法为：在将树脂浸渍所述点阵增强泡沫夹芯预成型体后，固化成型得到坦克旋转底板复合材料。
上述的应用，优选的，所述树脂包括97.7wt％的乙烯基树脂，1.0wt％～2.0wt％的固化剂和0.5wt％～1.0wt％的促进剂(固化剂和促进剂的含量根据天气温度及注胶时间选择)。进一步优选的，所述树脂包括97.7wt％的乙烯基树脂，1.5wt％的固化剂和0.8wt％的促进剂。优选的，所述固化剂为过氧化甲乙酮。所述促进剂为环烷酸钴。
上述的应用，优选的，所述固化成型具体为：在40℃下预固化2h，再升温至60℃下固化6h。预固化，防止固化过程中树脂大量放热导致开裂。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供了一种点阵增强泡沫夹芯结构预成型体，采用纱线将上下层纤维和泡沫链式缝合，进一步提高了真空导入模塑工艺过程中预成型体的抗冲刷能力，铺层纤维不会变形、扭曲；可采用机械化缝合，不仅工作效率大幅度提高，而且会精确地按照所设计的缝合参数进行均匀地缝合，不会引入人为操作的影响，使最终成型的复合材料构件制品具有更好、更稳定的力学性能。
(2)本发明提供了一种点阵增强泡沫夹芯结构预成型体的制备方法，缝针勾住纱线穿过上下层纤维和泡沫具有一定的张力，使泡沫里的增强纤维纱线处于拉直状态，并使纤维织物层间贴合密实，再通过真空导入模塑工艺最终成型的复合材料的纤维体积分数高，可达40％～50％，制备的复合材料的力学性能更好。
(3)本发明提供了一种点阵增强泡沫夹芯结构预成型体的制备方法，既不需要增设额外的专用设备，也无需增添特殊的试剂，工艺过程容易实现且制造成本低。缝合角度、缝合针距等结构参数，上下层纤维铺层数、缝合纱线密度等可根据需求进行改变，产品可设计性强；提供的制备方法步骤简单，操作简便，通用性强。
(4)本发明提供了一种用于坦克旋转底板的复合材料，各向质量、力学性能均匀，可以取代同型金属构件，并比同型金属件减重超过30％。
附图说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1为Z-pin增强泡沫芯子夹芯结构示意图。
图2为X-cor和K-cor增强泡沫夹芯结构示意图。
图3为手工缝合增强泡沫夹芯结构工艺过程示意图。
图4为链式缝合工艺过程示意图。
图5为链式缝合线迹示意图。
图6为本发明点阵增强泡沫夹芯结构预成型体的成型工艺流程图。
图7为本发明实施例2制备的预成型体结构图。
图8为本发明实施例2制备的预成型体实物图。
图9为本发明实施例3制备的坦克旋转底板复合材料实物图。
图例说明：
在附图中，a、纤维织物；b、PVC泡沫；c、缝合纱线。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
实施例1
一种800mm×800mm×30mm的点阵增强泡沫夹芯预成型体，包括上层纤维织物、泡沫芯材、下层纤维织物和纱线；上层纤维织物、泡沫芯材和下层纤维织物依次叠加成夹芯结构后，通过纱线缝合。上层纤维织物和下层纤维织物由1层SWR800-127高强玻璃纤维织物铺覆而成，面密度为800g/m2，由中材科技股份有限公司提供；泡沫芯材为PVC泡沫，密度为50kg/m3，由常州天晟新材料股份有限公司提供；纱线为SWR800-127高强玻璃纤维纱线，纱线密度为1.2g/m，由山东玻纤复合材料有限公司提供。
一种本实施例的点阵增强泡沫夹芯预成型体的制备方法，参见图6，包括以下步骤：
(1)裁剪泡沫芯材：取闭孔PVC泡沫裁剪成长×宽×高＝800mm×800mm×28mm的平板，上下面平整度保持在±0.5mm左右，用800#砂纸将上下表面打磨一下，再用压缩空气将表面的碎屑吹干净，备用。
(2)裁剪玻璃纤维织物：裁剪两片与泡沫芯材相同尺寸的玻璃纤维方格布(还可以是平纹布、斜纹布或缎纹布)，在泡沫芯材的一面喷涂喷胶，将玻璃纤维织物从一边轻轻展开，直至铺满泡沫表面。待喷胶固化后，再按照同样过程完成泡沫另一面的玻璃纤维织物铺放，得到预制件。
(3)缝合：将步骤(2)的预制件分别沿着预制件的横向(X方向)和纵向(Y方向)进行链式缝合，控制缝合角度调节至90°，缝合针距为10mm，两缝线的行距为20mm。
其缝合过程参见图4，具体为：
3.1、当缝针穿刺泡沫达到最高点时，勾纱使针筒带动纱线绕缝针转动，使纱线被勾在针勾上，同时，控制纱线处于绷紧状态便于顺利勾纱。
3.2、缝针勾上纱后，缝针往下拉带动纱线穿过泡沫，此时，释放张力使纱线处于松弛状态，避免强力拉纱导致纱线拉毛或者拉断。
3.3、当缝针达到最低点时，缝针保持位置不动，拉动泡沫板往前移动10mm针距。
3.4、牵拉到指定位置，缝针再次从上往下穿刺泡沫并勾住纱线，往下拉的纱线被套在上针纱线环里，反复以上步骤便顺利缝合了泡沫和上下纤维织物。
图5为链式缝合线迹示意图。
X方向第一遍缝合后将预制板上下翻转重复上述步骤3.1～3.4，进行X方向第二遍缝合，完成一条缝线的缝合。X方向上，每隔20mm缝一条纱线，直至纱线将X方向缝满。
(4)Y方向的缝合按照X方向的缝合方法进行。最终制得缝合密度为10mm×10mm的点阵增强泡沫夹芯预成型体。
本实施例制得的预成型体缝线间隙均匀，缝线没有明显的纤维位错、纤维起毛、纤维断裂，纤维织物也没有因为缝针的穿刺而明显破坏，总体效果较好。
实施例2
一种1600mm×1600mm×28mm的点阵增强泡沫夹芯预成型体，包括上层纤维织物、泡沫芯材、下层纤维织物和纱线；上层纤维织物、泡沫芯材和下层纤维织物依次叠加成夹芯结构后，通过纱线缝合。上层纤维织物和下层纤维织物由2层SWR800-127高强玻璃纤维织物铺覆而成，面密度为800g/m2，由中材科技股份有限公司提供；泡沫芯材为PVC泡沫，密度为50kg/m3，由常州天晟新材料股份有限公司提供；纱线为ECER17-1200D高性能玻璃纤维，纱线密度为1.2g/m，由山东玻纤复合材料有限公司提供。
一种本实施例的点阵增强泡沫夹芯预成型体的制备方法，参见图6，包括以下步骤：
(1)裁剪泡沫芯材：取闭孔PVC泡沫裁剪成长×宽×高＝1600mm×1600mm×28mm的平板，上下面平整度保持在±0.5mm左右，用800#砂纸将上下表面打磨一下，再用压缩空气将表面的碎屑吹干净，备用。
(2)裁剪玻璃纤维织物：裁剪4片与泡沫芯材相同尺寸的玻璃纤维方格布(还可以是平纹布、斜纹布或缎纹布)，在泡沫芯材的一面喷涂喷胶，将玻璃纤维织物从一边轻轻展开，直至铺满泡沫表面，按照相同的方法在玻璃纤维织物表面再铺覆玻璃纤维织物。待喷胶固化后，再按照同样过程完成泡沫另一面的玻璃纤维织物铺放，得到预制件。
(3)缝合：将步骤(2)的预制件分别沿着预制件的横向(X方向)和纵向(Y方向)进行链式缝合，控制缝合角度调节至63°，缝合针距为20mm，两缝线之间的行距为20mm。
3.1、当缝针穿刺泡沫达到最高点时，勾纱使针筒带动纱线绕缝针转动，使纱线被勾在针勾上，同时，控制纱线处于绷紧状态便于顺利勾纱。
3.2、缝针勾上纱后，缝针往下拉带动纱线穿过泡沫，此时，释放张力使纱线处于松弛状态，避免强力拉纱导致纱线拉毛或者拉断。
3.3、当缝针达到最低点时，缝针保持位置不动，拉动泡沫板往前移动20mm针距。
3.4、牵拉到指定位置，缝针再次从上往下穿刺泡沫并勾住纱线，往下拉的纱线被套在上针纱线环里，反复以上步骤便顺利缝合了泡沫和上下纤维织物。
完成X方向第一遍缝合后将预制板上下翻转重复上述步骤3.1～3.4，进行X方向第二遍缝合，完成一条缝线的缝合。由于缝针与预制件存在一定角度(缝合角度≥63°，且＜90°均可获得X型点阵)，当将预制板上下翻转进行第二遍缝合后，与第一遍缝合的纱线形成X型点阵。X方向上，每隔20mm缝一条纱线，直至纱线将X方向缝满。
(4)Y方向的缝合按照X方向的缝合方法进行。最终制得缝合密度为20mm×20mm的点阵增强泡沫夹芯预成型体。
图7为本发明实施例2制备的预成型体结构图，a、纤维织物；b、PVC泡沫；c、缝合纱线。图8为本发明实施例2制备的预成型体实物图。
实施例3
一种坦克旋转底板复合材料，以实施例2的点阵增强泡沫夹芯预成型体为原料制备，具体制备方法包括以下步骤：
(1)配制树脂：取97.7wt％的Swancor 905-2乙烯基树脂(由上纬精细化工有限公司提供)，1.5wt％的固化剂(固化剂具体为过氧化甲乙酮)，0.8wt％的促进剂(促进剂具体为环烷酸钴)混合，配制成树脂原料。
(2)固化成型：将上述实施例2的点阵增强泡沫夹芯预成型体按照导流网—脱模布—两层纤维布—点阵增强泡沫夹芯预成型体—两层脱模布—脱模布—导流网的顺序铺在刚性模具上，再铺覆柔性模具密封。采用真空泵将步骤(1)的树脂抽进模具浸渍点阵增强泡沫夹芯预成型体，在40℃下预固化2h，再升温至60℃下固化6h，脱模即得到制备坦克旋转底板的复合材料。
图9为本实施例制备的坦克旋转底板复合材料实物图。
对所制备的坦克旋转底板复合材料进行显微结构电镜分析，结果显示，材料密实均匀，纤维织物层间致密，蒙皮纤维体积分数达到50％。
对所制备的坦克旋转底板复合材料的面密度、平压、弯曲、比吸能等性能进行考核，考核结果参见表1。
表1：坦克旋转底板复合材料性能检测结果表
结果表明：采用本发明制备的纤维增强预成型体以及在此基础上采用真空导入模塑工艺制备的坦克旋转底板复合材料完全满足指标要求。复合材料旋转底板各向质量、力学性能均匀，可以取代同型金属构件，并比同型金属件减重超过30％。
有上述可知本实施例制得的坦克旋转底板复合材料顺利通过相关考核。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种点阵增强泡沫夹芯预成型体，其特征在于，包括上层纤维织物、泡沫芯材、下层纤维织物和纱线；所述上层纤维织物、泡沫芯材和下层纤维织物依次叠加，通过纱线缝合。
2.根据权利要求1所述的点阵增强泡沫夹芯预成型体，其特征在于，所述上层纤维织物为玻璃纤维或石英纤维；所述下层纤维织物玻璃纤维或石英纤维。
3.根据权利要求2所述的点阵增强泡沫夹芯预成型体，其特征在于，所述上层纤维织物由1～3层玻璃纤维或1～3层石英纤维依次铺覆而成；所述下层纤维织物由1～3层玻璃纤维或1～3层石英纤维依次铺覆而成。
4.根据权利要求1所述的点阵增强泡沫夹芯预成型体，其特征在于，所述泡沫芯材为聚氯乙烯泡沫、聚醚酰亚胺泡沫、聚酰亚胺泡沫、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫中的一种；所述纱线为碳纤维纱线、芳纶纤维纱线、石英纤维纱线、玻璃纤维纱线或高硅氧纤维纱线中的一种。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的点阵增强泡沫夹芯预成型体，其特征在于，所述纱线将所述上层纤维织物、泡沫芯材和下层纤维织物进行链式缝合。
6.根据权利要求5所述的点阵增强泡沫夹芯预成型体，其特征在于，所述纱线的缝合角度为63°～90°；缝合针距为10mm～30mm；所述纱线的密度为300tex～2400tex；所述泡沫芯材的厚度为26mm～30mm；所述缝合的密度为10mm～20mm×10mm～30mm。
7.一种权利要求1至6中任一项所述点阵增强泡沫夹芯预成型体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)裁剪相同尺寸的纤维织物和泡沫芯材，将裁剪后的纤维织物分别铺覆在泡沫芯材的上表面和下表面，进行喷胶粘贴形成夹芯结构；
(2)将步骤(1)的所述夹芯结构用纱线缝合得到点阵增强泡沫夹芯预成型体。
8.一种权利要求1至6中任一项所述点阵增强泡沫夹芯预成型体或权利要求7中所述制备方法制备得到的点阵增强泡沫夹芯预成型体在制备坦克旋转底板复合材料中的应用，所述应用方法为：在将树脂浸渍所述点阵增强泡沫夹芯预成型体后，固化成型得到坦克旋转底板复合材料。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述树脂包括97.7wt％的乙烯基树脂，1.0wt％～2.0wt％的固化剂和0.5wt％～1.0wt％的促进剂；所述固化成型具体为：在40℃下预固化2h，再升温至60℃下固化6h。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述固化剂为过氧化甲乙酮，所述促进剂为环烷酸钴。
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