CN107234818A - 一种高性能热塑性复合材料金字塔型和x型点阵夹芯板及其制备方法 - Google Patents

一种高性能热塑性复合材料金字塔型和x型点阵夹芯板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板及其制备方法，它涉及一种点阵夹芯板及其制备方法。本发明解决了现有树脂基复合材料芯子制备工艺复杂，芯子制备过程中易引入缺陷，制备效率低，芯子难以整体成型的问题，同时X型点阵结构中杆交错形成的二维节点有效地解决了现有树脂基复合材料点阵夹芯结构在压缩和剪切变形中的非弹性屈曲抗力较低的问题。本发明制备方法如下：一、制备热塑性复合材料层合板；二、制备周期排列菱形结构热塑性复合材料层合板网；三、将层合板网放入隧道式红外线烘箱；四、通过冲压模具制备金字塔点阵芯子和X型点阵芯子；五、制备高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板。

Description

一种高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板及其 制备方法
技术领域
本发明涉及一种高性能热塑性树脂基复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板及其制备方法。
背景技术
复合材料点阵夹芯结构由于其轻质高强化和多功能方面的优点，自其被提出以后就不仅得到了各国科研工作者的研究而且被众多领域(如航空航天、船舶、汽车)。广泛采用。传统复合材料夹芯结构通常采用热固性树脂基复合材料。但热固性复合材料存在一定的缺点，如韧性差，环境适应性较差，固化周期长，难以回收等。此外热固性树脂基复合材料点阵夹芯结构成型时芯子与内外蒙皮的结合问题至今仍无法较好的突破，对于大尺寸结构，成型难度大，制造成本高，结构受损后无法修复。而热塑性复合材料点阵夹芯结构通过材料自身特性克服了传统点阵夹芯结构的的弊端，热塑性复合材料具有较高的断裂韧性，耐水性易于储存，可多次加工，可回收等特点，使得点阵夹芯结构的优异力学性能和多功能特性得以充分发挥。传统的复合材料胶接技术具有较长的工艺周期，较差的抗冲击性能、疲劳性能、耐湿热性能等缺点且大多数情况下胶接后不可拆卸。相比之下热塑性复合材料焊接技术一项非常快速和短周期的连接技术，可实现构件的拼接和损伤构件的修补，便于制备大尺寸构件且连接处和修补处具有高强度和耐用性的特点，可以最大限度的发挥高性能热塑性复合材料的性能优势。目前常用的热塑性复合材料焊接方式有感应焊接、电阻焊接、超声焊接和激光焊接，
该焊接技术已得到应用，如Fokker公司通过感应焊接法将加强筋焊接在飞机的主承力结构的扭矩盒上，Boeing公司新一代客机机翼前缘筋与蒙皮采用超声焊接方式连接。在树脂基复合材料芯子制备中存在工艺复杂，芯子制备过程中易引入缺陷，制备效率低，芯子难以整体成型等亟待解决的问题，还存在树脂基复合材料点阵夹芯结构在压缩和剪切变形中的非弹性屈曲抗力较低，复合材料结构连接困难，连接处性能差等问题。目前没有一种有效的技术解决上述问题，更没有相关的报道将热塑性材料引入复合材料点阵夹芯结构中以解决上述问题的报道。
发明内容
本发明解决了现有树脂基复合材料芯子制备工艺复杂，芯子制备过程中易引入缺陷，制备效率低，芯子难以整体成型的问题，同时X型点阵结构中杆交错形成的二维节点有效地解决了现有树脂基复合材料点阵夹芯结构在压缩和剪切变形中的非弹性屈曲抗力较低的问题。此外，利用热塑性复合材料焊接技术，解决传统复合材料结构连接困难，连接处性能差等问题。
本发明是利用热塑性树脂基复合材料可重复加热、多次加工的特点，提出一种采用热冲压方式制备复合材料点阵芯子的方法，而对于热固性树脂基复合材料该制备方法是不可能实现的。
本发明的一种高性能热塑性复合材料金字塔型点阵夹芯板，它包括金字塔型点阵芯子、复合材料上面板和复合材料下面板；
所述的金字塔型点阵芯子是由多个金字塔点阵结构单胞组成；每个金字塔型点阵结构单胞是由上端杆、下端杆和斜杆组成的具有金字塔型的一体件；
所述下端杆和上端杆相互平行，所述上端杆和下端杆之间通过斜杆连接形成梯型的一体件，其中，每个下端杆的一端分别与两个斜杆一端连接，两个斜杆的另一端分别与上端杆的两端连接；
所述金字塔型点阵芯子中所有金字塔型点阵结构单胞的上端杆的上表面均与热塑性复合材料上面板连接，所有金字塔型点阵结构单胞的下端杆的下表面均与热塑性复合材料下面板连接。
本发明的一种高性能热塑性复合材料X型点阵夹芯板，它包括X型点阵芯子、复合材料上面板和复合材料下面板；
所述的X型点阵芯子是由多个X型点阵结构单胞组成；每个X型点阵结构单胞是由上端杆、下端杆和斜杆组成的具有X型的一体件；
所述下端杆和上端杆相互平行，所述上端杆和下端杆之间通过斜杆连接形成梯型的一体件，其中，每个下端杆的一端分别与两个斜杆一端连接，两个斜杆的另一端分别与上端杆的两端连接；
所述X型点阵芯子中所有X型点阵结构单胞的上端杆的上表面均与热塑性复合材料上面板连接，所有X型点阵结构单胞的下端杆的下表面均与热塑性复合材料下面板连接。
本发明的一种高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板的制备方法，它是按照以下步骤实现的：
步骤一：热压模具预处理：在热压之前，先用丙酮对模具进行清洗，然后将脱模剂均匀涂抹在模具表面；
步骤二：制备高性能热塑性复合材料层合板：裁剪连续纤维增强热塑性复合材料预浸料；将裁剪好的预浸料按照设计的铺层要求在热压模具进行铺层，采用热压机进行层合板的压制，热压工艺为先从室温升至380℃～400℃，升温时间为1.5～3h，待温度达到要求温度后，施加压力1Mpa～3MPa，保温保压15min～30min；随后在保压状态下自然冷却至室温，开模，脱模得到高性能热塑性复合材料层合板；
步骤三：制备高性能热塑性复合材料层合板网：在上述制备的高性能热塑性复合材料层合板上绘制层合板菱形网格图；将绘制好的层合板菱形网格图导入数控机械切割机中，按照预先绘制好的图形，对进行高性能热塑性复合材料层合板逐个切割，使得复合材料层板上加工出多个菱形孔；
步骤四：软化高性能热塑性复合材料层合板网：将步骤三中切割好的高性能热塑性复合材料层合板网放入隧道式红外线烘箱，烘箱的温度调至400℃，传动带速度控制在0.01～0.05m/min，进行软化；
步骤五：制备金字塔型点阵芯子和X型点阵芯子：对步骤一处理后的冲压模具进行预热，温度设定在200～300℃，待冲压模具温度达到200～300℃后，将步骤四中软化的高性能热塑性复合材料层合板网迅速放入冲压模具中，进行冲压成型；根据在高性能热塑性复合材料层合板网上冲压位置的不同，即可得到两种不同的点阵芯子：金字塔型点阵芯子和X型点阵芯子；
步骤六：制备高性能热塑性复合材料面板：使用与步骤二相同的工艺制备高性能热塑性复合材料点阵夹芯板的上下面板；
步骤七：制备高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板：利用热塑性复合材料焊接技术将金字塔型点阵芯子和X型点阵芯子分别与高性能热塑性复合材料上下面板进行连接，分别得到高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板。
本发明与现有技术相比的有益效果：
1.本发明在材料的选用上，选用的是连续纤维增强热塑性复合材料，相比于传统的热固性复合材料，热塑性复合材料具有更好的抗冲击性能，良好的耐水性易于储存，且成型工艺简单，多次加工以及回收利用。
2.在复合材料点阵芯子的制备上，本发明采用先将预浸料压制成层合板，再进行菱形网格的切割，进而利用热冲压模具加工成型，芯子制备过程几乎全部是机械化操作，人工操作极少，并且相比于先在预浸料切割出菱形网格再进行热压的方法，本发明具有更好的结构尺寸稳定性，不存在预浸料间菱形网格错位的问题，芯子整体成型，因此力学性能也更加优异。
3.本发明制备了两种点阵芯子：金字塔型和X型，其目的是：一、突出该制备方法可制备出两种不同形式的点阵芯子；二是将两种不同点阵芯子构成的热塑性复合材料点阵夹芯结构做对比，发现与具有相同密度的金字塔型点阵夹芯结构相比，新型的X型点阵夹芯结构具有更高的力学性能，其压缩和剪切峰值强度均提高约30％以及更高的幅度的plateau平台，这主要是因为通过斜杆俩俩交错形成X型芯体结构，杆交错形成的二维结点能有效地提高单元体在压缩和剪切变形中的非弹性屈曲抗力。
4.本发明在制备点阵芯子过程中，采用隧道式红外线烘箱对切割好的复合材料层合板网进行加热，这种加热方式不仅快捷方便。加热快速均匀而且易于实现流水线生产化。
5.本发明在制备点阵芯子过程中，将隧道式红外线烘箱加热好的复合材料层合板网快速用预热好的冲压模具进行冲压获得点阵芯子，这种热冲压制备芯子的方式易于实现机械化批量生产，而且对于热固性复合材料不可能实现这种高效便捷的制备方式。
6.本发明在上下面板与芯子的连接上采用焊接技术，不同于热固性复合材料的胶接技术，热塑性复合材料焊接技术可以获得更加良好的界面，减少界面缺陷，增加结构整体力学性能及性能稳定性，并且焊接技术一项非常快速和短周期的连接技术，可实现构件的拼接和损伤构件的修补，便于制备大尺寸构件且连接处和修补处具有高强度和耐用性的特点，可以最大限度的发挥高性能热塑性复合材料的性能优势。
7.本发明中预浸料的裁剪以及复合材料层合板菱形网格的切割均采用数控机械化操作，人工操作极少。相比于现有的工艺，能够实现纯机械化生产，适用范围广泛，制备周期短，成本低廉，适用于实验室研究及工厂批量生产。
附图说明
图1为本发明一种高性能热塑性复合材料金字塔型点阵夹芯板的结构示意图；其中1为金字塔型点阵芯子、3为高性能热塑性复合材料上面板、4为高性能热塑性复合材料下面板；
图2为本发明一种高性能热塑性复合材料X型点阵夹芯板的结构示意图；其中2为X型点阵芯子、3为高性能热塑性复合材料上面板、4为高性能热塑性复合材料下面板；
图3为金字塔型点阵芯子结构示意图；其中5为金字塔型点阵结构单胞；
图4为X型点阵芯子结构示意图；其中6为X型点阵结构单胞；
图5为金字塔型点阵芯子单胞结构示意图；
图6为X型点阵芯子单胞结构示意图；
图7为复合材料层合板菱形网冲压金字塔型点阵芯子时冲压位置示意图；
图8为复合材料层合板菱形网冲压X型点阵芯子时冲压位置示意图；
图9为热冲压模具结构示意图；
图10为隧道式红外线烘箱结构示意图；
图11为本发明一种高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板的结构示意图制备流程示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至10说明本实施方式，本实施方式的一种高性能热塑性复合材料金字塔型点阵夹芯板，它包括金字塔型点阵芯子1、复合材料上面板3和复合材料下面板4；
所述的金字塔型点阵芯子1是由多个金字塔点阵结构单胞5组成；每个金字塔型点阵结构单胞5是由上端杆5-1、下端杆5-2和斜杆5-3组成的具有金字塔型的一体件；
所述下端杆5-2和上端杆5-1相互平行，所述上端杆5-1和下端杆5-2之间通过斜杆5-3连接形成梯型的一体件，其中，每个下端杆5-2的一端分别与两个斜杆5-3一端连接，两个斜杆5-3的另一端分别与上端杆5-1的两端连接；
所述金字塔型点阵芯子1中所有金字塔型点阵结构单胞5的上端杆5-1的上表面均与热塑性复合材料上面板3连接，所有金字塔型点阵结构单胞5的下端杆5-2的下表面均与热塑性复合材料下面板4连接。
具体实施方式二：结合图1至10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：所述的热塑性复合材料下面板4与多个金字塔型点阵结构单胞5中的下端杆5-2连接，且相邻的两个金字塔型点阵结构单胞5中的下端杆5-2连接在同一热塑性复合材料下面板4上。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：所述的金字塔型点阵结构单胞5的上端杆5-1表面与热塑性复合材料上面板3的连接以及两个下端杆5-2表面与热塑性复合材料下面板4连接，均是通过热塑性复合材料焊接技术连接。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1至10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：热塑性树脂基复合材料上面板2以及热塑性树脂基复合材料下面板3均是由碳纤维增强热塑性树脂基复合材料制成。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1至10说明本实施方式，一种高性能热塑性复合材料X型点阵夹芯板，它包括X型点阵芯子2、复合材料上面板3和复合材料下面板4；
所述的X型点阵芯子2是由多个X型点阵结构单胞6组成；每个X型点阵结构单胞6是由上端杆6-1、下端杆6-2和斜杆6-3组成的具有X型的一体件；
所述下端杆6-2和上端杆6-1相互平行，所述上端杆6-1和下端杆6-2之间通过斜杆6-3连接形成梯型的一体件，其中，每个下端杆6-2的一端分别与两个斜杆6-3一端连接，两个斜杆6-3的另一端分别与上端杆6-1的两端连接；
所述X型点阵芯子2中所有X型点阵结构单胞6的上端杆6-1的上表面均与热塑性复合材料上面板3连接，所有X型点阵结构单胞6的下端杆6-2的下表面均与热塑性复合材料下面板4连接。
具体实施方式六：结合图1至10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：所述的热塑性复合材料下面板4与多个X型点阵结构单胞6中的下端杆6-2连接，且相邻的两个X型点阵结构单胞6中的下端杆6-2连接在同一热塑性复合材料下面板4上。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图1至10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：所述的X型点阵结构单胞6上端杆6-1表面与热塑性复合材料上面板3的连接以及两个下端杆6-2表面与热塑性复合材料下面板4连接，均是通过热塑性复合材料焊接技术连接。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：结合图1至10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：热塑性树脂基复合材料上面板2以及热塑性树脂基复合材料下面板3均是由碳纤维增强热塑性树脂基复合材料制成。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：结合图1至10说明本实施方式，一种高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板的制备方法，其特征在于它是按照以下步骤实现的：
步骤一：热压模具预处理：在热压之前，先用丙酮对模具进行清洗，然后将脱模剂均匀涂抹在模具表面；
步骤二：制备高性能热塑性复合材料层合板：裁剪连续纤维增强热塑性复合材料预浸料；将裁剪好的预浸料按照设计的铺层要求在热压模具进行铺层，采用热压机进行层合板的压制，热压工艺为先从室温升至380℃～400℃，升温时间为1.5～3h，待温度达到要求温度后，施加压力1Mpa～3MPa，保温保压15min～30min；随后在保压状态下自然冷却至室温，开模，脱模得到高性能热塑性复合材料层合板；
步骤三：制备高性能热塑性复合材料层合板网：在上述制备的高性能热塑性复合材料层合板上绘制层合板菱形网格图；将绘制好的层合板菱形网格图导入数控机械切割机中，按照预先绘制好的图形，对进行高性能热塑性复合材料层合板逐个切割，使得复合材料层板上加工出多个菱形孔；
步骤四：软化高性能热塑性复合材料层合板网：将步骤三中切割好的高性能热塑性复合材料层合板网放入隧道式红外线烘箱，烘箱的温度调至400℃，传动带速度控制在0.01～0.05m/min，进行软化；
步骤五：制备金字塔型点阵芯子和X型点阵芯子：对步骤一处理后的冲压模具进行预热，温度设定在200～300℃，待冲压模具温度达到200～300℃后，将步骤四中软化的高性能热塑性复合材料层合板网迅速放入冲压模具中，进行冲压成型；根据在高性能热塑性复合材料层合板网上冲压位置的不同，即可得到两种不同的点阵芯子：金字塔型点阵芯子和X型点阵芯子；
步骤六：制备高性能热塑性复合材料面板：使用与步骤二相同的工艺制备高性能热塑性复合材料点阵夹芯板的上下面板；
步骤七：制备高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板：利用热塑性复合材料焊接技术将金字塔型点阵芯子和X型点阵芯子分别与高性能热塑性复合材料上下面板进行连接，分别得到高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板。
具体实施方式十：结合图1至10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤二中热压机内部成型温度为380℃，成型压力为1MPa，保温保压时间为30min。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式十一：结合图1至10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：所述的冲压模具包括冲头和下模具，其中冲头的形状为转角135°的梯形，下模具同样为转角135°的梯形模具。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式十二：结合图1至10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤二中预浸料的铺层要求为[0°/90°]6s。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式十三：结合图1至10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤三中高性能热塑性复合材料层合板菱形网格两对角的角度分别为45°和135°。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式十四：结合图1至10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤四中的隧道式红外线烘箱的传动速度为0.02m/min。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式十五：结合图1至10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤五中对冲压模具的预热温度设定在300℃。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式十六：结合图1至10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤七中将金字塔型点阵芯子和X型点阵芯子分别与高性能热塑性复合材料上下面板进行连接采用的焊接方式为超声焊接。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式十七：结合图1至10说明本实施方式，步骤七中将金字塔型点阵芯子和X型点阵芯子分别与高性能热塑性复合材料上下面板进行连接采用的焊接方式为电阻焊接。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1
本实施例的一种高性能热塑性复合材料金字塔型点阵夹芯板，它包括金字塔型点阵芯子1、复合材料上面板3和复合材料下面板4；
所述的金字塔型点阵芯子1是由多个金字塔点阵结构单胞5组成；每个金字塔型点阵结构单胞5是由上端杆5-1、下端杆5-2和斜杆5-3组成的具有金字塔型的一体件；
所述下端杆5-2和上端杆5-1相互平行，所述上端杆5-1和下端杆5-2之间通过斜杆5-3连接形成梯型的一体件，其中，每个下端杆5-2的一端分别与两个斜杆5-3一端连接，两个斜杆5-3的另一端分别与上端杆5-1的两端连接；
所述金字塔型点阵芯子1中所有金字塔型点阵结构单胞5的上端杆5-1的上表面均与热塑性复合材料上面板3连接，所有金字塔型点阵结构单胞5的下端杆5-2的下表面均与热塑性复合材料下面板4连接。
上述高性能热塑性复合材料金字塔型点阵夹芯板的制备方法，它是按照以下步骤实现的：
步骤一：热压模具预处理：在热压之前，先用丙酮对模具进行清洗，然后将脱模剂均匀涂抹在模具表面；
步骤二：制备高性能热塑性复合材料层合板：裁剪连续纤维增强热塑性复合材料预浸料；将裁剪好的预浸料按照设计的铺层要求在热压模具进行铺层，采用热压机进行层合板的压制，热压工艺为先从室温升至380℃，升温时间为1.5～3h，待温度达到要求温度后，施加压力1Mpa，保温保压30min；随后在保压状态下自然冷却至室温，开模，脱模得到高性能热塑性复合材料层合板；
步骤三：制备高性能热塑性复合材料层合板网：在上述制备的高性能热塑性复合材料层合板上绘制层合板菱形网格图；将绘制好的层合板菱形网格图导入数控机械切割机中，按照预先绘制好的图形，对进行高性能热塑性复合材料层合板逐个切割，使得复合材料层板上加工出多个菱形孔；
步骤四：软化高性能热塑性复合材料层合板网：将步骤三中切割好的高性能热塑性复合材料层合板网放入隧道式红外线烘箱，烘箱的温度调至400℃，传动带速度控制在0.02m/min，进行软化；
步骤五：制备金字塔型点阵芯子和X型点阵芯子：对步骤一处理后的冲压模具进行预热，温度设定在300℃，待冲压模具温度达到300℃后，将步骤四中软化的高性能热塑性复合材料层合板网迅速放入冲压模具中，进行冲压成型；根据在高性能热塑性复合材料层合板网上冲压位置的不同，即可得到两种不同的点阵芯子：金字塔型点阵芯子和X型点阵芯子；
步骤六：制备高性能热塑性复合材料面板：使用与步骤二相同的工艺制备高性能热塑性复合材料点阵夹芯板的上下面板；
步骤七：制备高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板：利用热塑性复合材料焊接技术(超声焊接)将金字塔型点阵芯子和X型点阵芯子分别与高性能热塑性复合材料上下面板进行连接，分别得到高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板。
本实施例步骤二中预浸料的铺层要求为[0°/90°]6s。
步骤三中高性能热塑性复合材料层合板菱形网格两对角的角度分别为45°和135°。
步骤五中所述的冲压模具包括冲头和下模具，其中冲头的形状为转角135°的梯形，下模具同样为转角135°的梯形模具。
实施例2
本实施例的一种高性能热塑性复合材料X型点阵夹芯板，它包括X型点阵芯子2、复合材料上面板3和复合材料下面板4；
所述的X型点阵芯子2是由多个X型点阵结构单胞6组成；每个X型点阵结构单胞6是由上端杆6-1、下端杆6-2和斜杆6-3组成的具有X型的一体件；
所述下端杆6-2和上端杆6-1相互平行，所述上端杆6-1和下端杆6-2之间通过斜杆6-3连接形成梯型的一体件，其中，每个下端杆6-2的一端分别与两个斜杆6-3一端连接，两个斜杆6-3的另一端分别与上端杆6-1的两端连接；
所述X型点阵芯子2中所有X型点阵结构单胞6的上端杆6-1的上表面均与热塑性复合材料上面板3连接，所有X型点阵结构单胞6的下端杆6-2的下表面均与热塑性复合材料下面板4连接。
上述高性能热塑性复合材料X型点阵夹芯板的制备方法，它是按照以下步骤实现的：
步骤一：热压模具预处理：在热压之前，先用丙酮对模具进行清洗，然后将脱模剂均匀涂抹在模具表面；
步骤二：制备高性能热塑性复合材料层合板：裁剪连续纤维增强热塑性复合材料预浸料；将裁剪好的预浸料按照设计的铺层要求在热压模具进行铺层，采用热压机进行层合板的压制，热压工艺为先从室温升至380℃，升温时间为1.5～3h，待温度达到要求温度后，施加压力1Mpa，保温保压30min；随后在保压状态下自然冷却至室温，开模，脱模得到高性能热塑性复合材料层合板；
步骤三：制备高性能热塑性复合材料层合板网：在上述制备的高性能热塑性复合材料层合板上绘制层合板菱形网格图；将绘制好的层合板菱形网格图导入数控机械切割机中，按照预先绘制好的图形，对进行高性能热塑性复合材料层合板逐个切割，使得复合材料层板上加工出多个菱形孔；
步骤四：软化高性能热塑性复合材料层合板网：将步骤三中切割好的高性能热塑性复合材料层合板网放入隧道式红外线烘箱，烘箱的温度调至400℃，传动带速度控制在0.02m/min，进行软化；
步骤五：制备金字塔型点阵芯子和X型点阵芯子：对步骤一处理后的冲压模具进行预热，温度设定在300℃，待冲压模具温度达到300℃后，将步骤四中软化的高性能热塑性复合材料层合板网迅速放入冲压模具中，进行冲压成型；根据在高性能热塑性复合材料层合板网上冲压位置的不同，即可得到两种不同的点阵芯子：金字塔型点阵芯子和X型点阵芯子；
步骤六：制备高性能热塑性复合材料面板：使用与步骤二相同的工艺制备高性能热塑性复合材料点阵夹芯板的上下面板；
步骤七：制备高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板：利用热塑性复合材料焊接技术(超声焊接)将金字塔型点阵芯子和X型点阵芯子分别与高性能热塑性复合材料上下面板进行连接，分别得到高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板。
本实施例步骤二中预浸料的铺层要求为[0°/90°]6s。
步骤三中高性能热塑性复合材料层合板菱形网格两对角的角度分别为45°和135°。
步骤五中所述的冲压模具包括冲头和下模具，其中冲头的形状为转角135°的梯形，下模具同样为转角135°的梯形模具。
上述实施例1和2制备的热塑性复合材料点阵夹芯板采用的热塑性复合材料为荷兰TenCate公司的TC1200PEEK AS-4，其相关性能数据如表1所示。
表1热塑性复合材料TC1200PEEK AS-4单向板力学性能
由表1可知，实施例1和2例所制备复合材料力学性能优异，具有很好的力学效果。
上述实施例的材料的选用上，选用的是连续纤维增强热塑性复合材料，相比于传统的热固性复合材料，热塑性复合材料具有更好的抗冲击性能，良好的耐水性易于储存，且成型工艺简单，多次加工以及回收利用。
在复合材料点阵芯子的制备上，上述实施例采用先将预浸料压制成层合板，再进行菱形网格的切割，进而利用热冲压模具加工成型，芯子制备过程几乎全部是机械化操作，人工操作极少，并且相比于先在预浸料切割出菱形网格再进行热压的方法，本发明具有更好的结构尺寸稳定性，不存在预浸料间菱形网格错位的问题，芯子整体成型，因此力学性能也更加优异。
上述实施例制备了两种点阵芯子：金字塔型和X型，其目的是：一、突出该制备方法可制备出两种不同形式的点阵芯子；二是将两种不同点阵芯子构成的热塑性复合材料点阵夹芯结构做对比，发现与具有相同密度的金字塔型点阵夹芯结构相比，新型的X型点阵夹芯结构具有更高的力学性能，其压缩和剪切峰值强度均提高约30％以及更高的幅度的plateau平台，这主要是因为通过斜杆俩俩交错形成X型芯体结构，杆交错形成的二维结点能有效地提高单元体在压缩和剪切变形中的非弹性屈曲抗力。
上述实施例在制备点阵芯子过程中，采用隧道式红外线烘箱对切割好的复合材料层合板网进行加热，这种加热方式不仅快捷方便。加热快速均匀而且易于实现流水线生产化。
上述实施例在制备点阵芯子过程中，将隧道式红外线烘箱加热好的复合材料层合板网快速用预热好的冲压模具进行冲压获得点阵芯子，这种热冲压制备芯子的方式易于实现机械化批量生产，而且对于热固性复合材料不可能实现这种高效便捷的制备方式。
上述实施例在上下面板与芯子的连接上采用焊接技术，不同于热固性复合材料的胶接技术，热塑性复合材料焊接技术可以获得更加良好的界面，减少界面缺陷，增加结构整体力学性能及性能稳定性，并且焊接技术一项非常快速和短周期的连接技术，可实现构件的拼接和损伤构件的修补，便于制备大尺寸构件且连接处和修补处具有高强度和耐用性的特点，可以最大限度的发挥高性能热塑性复合材料的性能优势。
上述实施例中预浸料的裁剪以及复合材料层合板菱形网格的切割均采用数控机械化操作，人工操作极少。相比于现有的工艺，能够实现纯机械化生产，适用范围广泛，制备周期短，成本低廉，适用于实验室研究及工厂批量生产。

Claims (10)

1.一种高性能热塑性复合材料金字塔型点阵夹芯板，其特征在于它包括金字塔型点阵芯子(1)、复合材料上面板(3)和复合材料下面板(4)；
所述的金字塔型点阵芯子(1)是由多个金字塔点阵结构单胞(5)组成；每个金字塔型点阵结构单胞(5)是由上端杆(5-1)、下端杆(5-2)和斜杆(5-3)组成的具有金字塔型的一体件；
所述下端杆(5-2)和上端杆(5-1)相互平行，所述上端杆(5-1)和下端杆(5-2)之间通过斜杆(5-3)连接形成梯型的一体件，其中，每个下端杆(5-2)的一端分别与两个斜杆(5-3)一端连接，两个斜杆(5-3)的另一端分别与上端杆(5-1)的两端连接；
所述金字塔型点阵芯子(1)中所有金字塔型点阵结构单胞(5)的上端杆(5-1)的上表面均与热塑性复合材料上面板(3)连接，所有金字塔型点阵结构单胞(5)的下端杆(5-2)的下表面均与热塑性复合材料下面板(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种高性能热塑性复合材料金字塔型点阵夹芯板，其特征在于所述的热塑性复合材料下面板(4)与多个金字塔型点阵结构单胞(5)中的下端杆(5-2)连接，且相邻的两个金字塔型点阵结构单胞(5)中的下端杆(5-2)连接在同一热塑性复合材料下面板(4)上。
3.根据权利要求1所述的一种高性能热塑性复合材料金字塔型点阵夹芯板，其特征在于所述的金字塔型点阵结构单胞(5)的上端杆(5-1)表面与热塑性复合材料上面板(3)的连接以及两个下端杆(5-2)表面与热塑性复合材料下面板(4)连接，均是通过热塑性复合材料焊接技术连接。
4.根据权利要求1所述的一种高性能热塑性复合材料金字塔型点阵夹芯板，其特征在于热塑性树脂基复合材料上面板(2)以及热塑性树脂基复合材料下面板(3)均是由碳纤维增强热塑性树脂基复合材料制成。
5.一种高性能热塑性复合材料X型点阵夹芯板，其特征在于它包括X型点阵芯子(2)、复合材料上面板(3)和复合材料下面板(4)；
所述的X型点阵芯子(2)是由多个X型点阵结构单胞(6)组成；每个X型点阵结构单胞(6)是由上端杆(6-1)、下端杆(6-2)和斜杆(6-3)组成的具有X型的一体件；
所述下端杆(6-2)和上端杆(6-1)相互平行，所述上端杆(6-1)和下端杆(6-2)之间通过斜杆(6-3)连接形成梯型的一体件，其中，每个下端杆(6-2)的一端分别与两个斜杆(6-3)一端连接，两个斜杆(6-3)的另一端分别与上端杆(6-1)的两端连接；
所述X型点阵芯子(2)中所有X型点阵结构单胞(6)的上端杆(6-1)的上表面均与热塑性复合材料上面板(3)连接，所有X型点阵结构单胞(6)的下端杆(6-2)的下表面均与热塑性复合材料下面板(4)连接。
6.根据权利要求5所述的一种高性能热塑性复合材料X型点阵夹芯板，其特征在于所述的热塑性复合材料下面板(4)与多个X型点阵结构单胞(6)中的下端杆(6-2)连接，且相邻的两个X型点阵结构单胞(6)中的下端杆(6-2)连接在同一热塑性复合材料下面板(4)上。
7.根据权利要求5所述的一种高性能热塑性复合材料X型点阵夹芯板，其特征在于所述的X型点阵结构单胞(6)上端杆(6-1)表面与热塑性复合材料上面板(3)的连接以及两个下端杆(6-2)表面与热塑性复合材料下面板(4)连接，均是通过热塑性复合材料焊接技术连接。
8.一种高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板的制备方法，其特征在于它是按照以下步骤实现的：
步骤一：热压模具预处理：在热压之前，先用丙酮对模具进行清洗，然后将脱模剂均匀涂抹在模具表面；
步骤二：制备高性能热塑性复合材料层合板：裁剪连续纤维增强热塑性复合材料预浸料；将裁剪好的预浸料按照设计的铺层要求在热压模具进行铺层，采用热压机进行层合板的压制，热压工艺为先从室温升至380℃～400℃，升温时间为1.5～3h，待温度达到要求温度后，施加压力1Mpa～3MPa，保温保压15min～30min；随后在保压状态下自然冷却至室温，开模，脱模得到高性能热塑性复合材料层合板；
步骤三：制备高性能热塑性复合材料层合板网：在上述制备的高性能热塑性复合材料层合板上绘制层合板菱形网格图；将绘制好的层合板菱形网格图导入数控机械切割机中，按照预先绘制好的图形，对进行高性能热塑性复合材料层合板逐个切割，使得复合材料层板上加工出多个菱形孔；
步骤四：软化高性能热塑性复合材料层合板网：将步骤三中切割好的高性能热塑性复合材料层合板网放入隧道式红外线烘箱，烘箱的温度调至400℃，传动带速度控制在0.01～0.05m/min，进行软化；
步骤五：制备金字塔型点阵芯子和X型点阵芯子：对步骤一处理后的冲压模具进行预热，温度设定在200～300℃，待冲压模具温度达到200～300℃后，将步骤四中软化的高性能热塑性复合材料层合板网迅速放入冲压模具中，进行冲压成型；根据在高性能热塑性复合材料层合板网上冲压位置的不同，即可得到两种不同的点阵芯子：金字塔型点阵芯子和X型点阵芯子；
步骤六：制备高性能热塑性复合材料面板：使用与步骤二相同的工艺制备高性能热塑性复合材料点阵夹芯板的上下面板；
步骤七：制备高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板：利用热塑性复合材料焊接技术将金字塔型点阵芯子和X型点阵芯子分别与高性能热塑性复合材料上下面板进行连接，分别得到高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板。
9.根据权利要求8所述的一种高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板的制备方法，其特征在于步骤二中热压机内部成型温度为380℃，成型压力为1MPa，保温保压时间为30min。
10.根据权利要求8所述的一种高性能热塑性复合材料金字塔型和X型点阵夹芯板的制备方法，其特征在于所述的冲压模具包括冲头和下模具，其中冲头的形状为转角135°的梯形，下模具同样为转角135°的梯形模具。
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