CN107521123A - 嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种嵌入式共固化缝合阻尼复合材料的制作工艺，包括以下步骤：按下层贫胶预浸料、小部分硫化的阻尼薄膜或者带阻尼薄膜的贫胶预浸料和上层贫胶预浸料的铺层顺序铺设，形成预成型体；使用纤维纱线按照设计要求将该预成型体缝合起来，形成缝合预成型体；然后，对缝合预成型体导入树脂，形成树脂缝合预成型体；再对树脂缝合预成型结构所在体系进行扫频激震处理；最后，按照共固化工艺参数将扫频激震后的树脂缝合预成型体共固化，即得到嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料。该申请的最大创新在于利用低温硫化阻尼材料组分、贫胶预浸料、扫频震动实现了真空导入法制作嵌入式共固化缝合阻尼复合材料，提高了结构整体力学性能。

Description

嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料及其制作工艺

技术领域

本申请属于功能结构一体化复合材料研究领域，具体涉及一种嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料及其制作工艺。

背景技术

在航空、航天技术迅速发展的今天，传统材料及结构已不能满足飞行器轻质、高刚度、大阻尼性能的设计要求，嵌入式共固化复合材料阻尼结构就是在几乎保持传统复合材料力学性能基础上而提出的一种具有高阻尼减振性能的新结构，它将三种不同性质的材料通过物理或化学的方法复合而成，形成一种多相固体，从组成和结构上分析，其中有一相在层内基本上是连续的，称为基体；另一相是被基体分散包容的，称为增强相；还有一相是各向同性的粘弹性阻尼材料，它们之间在性能上相互协调，从而获得可设计的力学性能。鉴于嵌入式共固化连续阻尼薄膜复合材料结构其阻尼特性明显高于传统复合材料，但由于粘弹性材料的承载能力明显低于树脂，导致其层间抗剪与面外抗拉能力较弱，极大地制约了这种复合材料在某些方向的承载能力。为了提高其层间力学性能，在保证嵌入式共固化复合材料大阻尼、高刚度特性的前提下，已经有人先后提出了穿孔阻尼结构和网格阻尼结构，即分别在粘弹性阻尼材料层穿孔或将其制成阻尼薄膜小片，按设计要求嵌入到复合材料预浸料中，共固化时与阻尼薄膜相邻的复合材料预浸料树脂就会变成液体顺着穿孔或阻尼薄膜小片之间间隙上、下贯通阻尼层，形成“树脂钉或树脂条”，把与阻尼层相邻的复合材料层偶联起来，这样的结构比连续阻尼薄膜嵌入的共固化复合材料结构的承载能力有明显提高。研究表明，只有穿孔面积与总面积比在5％以内，且阻尼薄膜上的孔洞越小，单位面积的树脂钉的个数愈多，层间结合应力集中系数就会愈小，整体结构的阻尼和刚度才能得到有效发挥，由于阻尼薄膜在嵌入到复合材料预浸料前就将孔洞加工在其中，在共固化的过程中预浸料树脂处于熔融态后会贯通整个阻尼层，使阻尼层两侧的复合材料通过树脂钉或树脂条上下偶联，但这种偶联结构随着穿孔直径的减小，流动阻力的加大，熔融态树脂流过该穿孔时的流动性就会变差，形成偶联“树脂钉或树脂条”结构的可能性在降低，并使树脂钉或树脂条几何尺寸精度难以控制，从而导致其层间结合性能和整体结构刚度不稳定。目前，虽有人提出了缝合夹层结构复合材料的制作工艺，但该复合材料中使用的是市售硫化后的橡胶材料，而市售硫化后的橡胶材料其特点之一就是粘弹性材料片受加工设备工艺力限制很难加工成均匀一致的阻尼薄膜，一般都在0.3mm以上，使用起来相对较厚；其二就是在与复合材料预浸料固化时，硫化后的阻尼材料同样也要受到预浸料固化时高温和压力的考验，这样使嵌入预浸料前早已硫化好的阻尼材料出现老化、返原现象，而丧失其部分甚至大部分力学性能，导致整个结构的阻尼性能和承载能力丧失。一般而言，缝合夹层结构复合材料树脂的固化工艺温度愈高、时间愈长、压力愈高，夹在其中的阻尼材料力学性能损失的就愈严重。因此，如何调整阻尼层面积比与损耗因子之间的关系，使嵌入阻尼薄膜的复合材料共固化后结构在满足高刚度、大阻尼的力学性能要求下，尽可能地提高结构的层间力学性能，就成为一个值得研究的重要问题。

发明内容

针对现有技术中的问题，本申请的目的在于提供一种具有大阻尼，高刚度，层间力学性能优良的新型复合材料结构——嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料结构及其制备方法。

为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案：

一种嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料的制作工艺，包括以下步骤：

首先，按照下层贫胶预浸料、小部分硫化的阻尼薄膜或者带阻尼薄膜的贫胶预浸料和上层贫胶预浸料的铺层顺序进行铺设，形成预成型体；使用纤维纱线按照设计要求将该预成型体缝合起来，形成缝合预成型体；

然后，对缝合预成型体导入树脂，注意这里贫胶预浸料所用树脂与导入工艺所用树脂为同一种树脂，形成树脂缝合预成型体；再对树脂缝合预成型结构所在体系进行扫频激震处理；

最后，按照共固化工艺参数将扫频激震处理后的树脂缝合预成型体共固化，即得到嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料。

在本申请中，预浸料是指树脂基体在一定条件下浸渍连续纤维或织物，制成树脂基体与增强体的组合物，是制造复合材料的中间材料。本申请针对嵌入式共固化缝合阻尼复合材料加工工艺，采用的是贫胶预浸料，所述“贫胶”是指树脂含量低于预浸料中正常的树脂含量。经过试验验证，为了便于预浸料在模具中铺设工序的顺利实施，避免了因正常树脂含量的预浸料厚且密实而难以铺设和缝合，或纯纤维材料铺设到复杂模腔和缝合时容易移位的问题，从而造成产品质量下降，本申请经试验将所述贫胶预浸料中的树脂含量设定为15～20％。否则，对于形状复杂模腔，难以制成合格质量的产品。并且，意外发现，由于贫胶预浸料所含的树脂量较少，在未导入树脂前，层间的作用力不是太强，贴合的反而更好，铺层角度与位置在加工过程中不易发生变化，更有利于后续缝合和树脂导入，从而使最终得到的复合材料的层间力学性能更加优异。

在本申请中，所述贫胶预浸料中的增强材料选用碳纤维、玻璃纤维或其它纤维，实际选用应根据力学性能要求和使用条件来确定。

在本申请中，所述小部分硫化的阻尼薄膜或者带阻尼薄膜的贫胶预浸料中的阻尼材料的组分为：

以质量份数计，氢化丁腈橡胶(HNBR，型号4367)，90～110份；炭黑N220，30～50份；氧化锌(ZnO)，4～6份；硬脂酸(SA)，0.8～1.2份；防老剂N445(化学名称：4.4-双(2.2-二甲基苄基)二苯胺)，1～2份；促进剂TMTD(化学名称：N,N-四甲基二硫双硫羰胺)，0.5～1份；硫磺(S)，2～3份；促进剂CZ(化学名称N-环已基-2-苯并噻唑次磺酰胺)，1～2份；抗氧剂1010(化学名称：四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)，25～35份。

在本申请的一个优选实施例中，所述小部分硫化的阻尼薄膜或者带阻尼薄膜的贫胶预浸料中的阻尼材料的组分为：以质量份数计，氢化丁腈橡胶，100份；炭黑N220，40份；氧化锌，5份；硬脂酸，1份；防老剂N445，1.5份；促进剂TMTD，0.8份；硫磺，2.5份；促进剂CZ，1.5份；抗氧剂1010，30份。

在本申请中，小部分硫化阻尼薄膜采用模压法制备得到；带阻尼薄膜的贫胶预浸料采用刷涂或喷涂或连续预浸工艺制备得到，即将阻尼材料按合适比例溶于有机溶剂中形成阻尼材料溶液，用刷子或喷枪或浸润工艺将该溶液刷或喷或浸润在单层贫胶预浸料之上，待阻尼材料溶液中的有机溶剂挥发后，就得到带阻尼薄膜的贫胶预浸料。

在本申请中，选用的纤维纱线具有高强度、一定的可延展性和耐磨损性，而且其性能不受复合材料固化的影响，本申请选用的纤维纱线类型为Kevlar纤维、碳纤维、玻璃纤维或其它高性能纤维纱线，实际选用应根据力学性能要求和使用条件来确定。

在本申请实施例中，缝合工艺参数优选为：纤维纱线为Kevlar-29，其直径为0.35mm，缝合针距为7.5mm、行距为15mm。

在本申请中，嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料结构是一种阻尼各项异性结构，缝合方式采用改进的锁式缝合。对于二维缝合方式，形成一个周期性的缝合针距和行距阵列，可通过调整针距与行距以及缝合方向，就能比较精确调整嵌入式共固化缝合阻尼复合材料结构在面内坐标系X向与Y向阻尼系数和力学性能，实现阻尼系数和力学性能在不同方向的精确控制，使嵌入式共固化缝合阻尼复合材料结构的阻尼和力学性能在不同方向上精确可设计。

在本申请中，树脂导入工艺完成后，用激震器对树脂缝合预成型体进行扫频激震处理，激震器激震位置施加在体系的模具下表面位于体系重心处，频率从五赫兹到一万赫兹，幅值在0.1-2mm，持续5-8分钟，然后静置3-5分钟，重复上述过程二到五次。

在本申请中，共固化的优选工艺参数为：真空袋的真空度保持在0.08～0.095MPa的负压，从室温以0.5～3℃/min的升温速率使温度达到120℃，且维持120℃温度120min，然后以小于1.5℃/min的降温速率降至60℃以下，完成嵌入式共固化缝合阻尼复合材料的共固化。

本申请在不降低结构整体刚度和层间结合性能的前提下，从而提高嵌入式共固化缝合阻尼复合材料结构动力学性能，增强其对震动能量的消耗，同时提升其层间抗剪与面外抗拉能力。大大拓展了嵌入式共固化阻尼复合材料结构的应用空间，同时通过调整缝线的行距和针距，实现嵌入式共固化缝合阻尼复合材料正交各项异性阻尼结构的加工，为其各项异性阻尼性能和力学性能的可设计性提供了新的设计变量。该工艺与热压罐成型工艺相比，具有树脂利用率高，制造精度高，工艺简单，成本低等特点。

本申请的嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料结构，是对传统嵌入式共固化阻尼复合材料结构和制作工艺的一种创新和发展，其最大新意在于利用低温硫化的阻尼材料组分、贫胶预浸料、扫频震动实现了真空导入法制作嵌入式共固化缝合阻尼复合材料。在树脂的导入过程中液体树脂会和缝线贯通整个复合材料层(包括阻尼层)，使连续阻尼薄膜和复合材料层通过四周树脂裹着缝线的“复合钉”(其本身结构存在缝线增强相和树脂基体相，在此命名复合钉)偶联起来，实现层间IPN结构(IPN即是两种或两种以上的共混聚合物，分子链相互贯穿，并至少一种聚合物分子链以化学键的方式交链而形成的网络结构。)与“复合钉”共同作用，完成嵌入式共固化缝合阻尼复合材料整体结构的层间可靠连接，在保证结构高阻尼的情况下增加了整个结构的强度和刚度，有效地抑制结构分层。传统的嵌入式共固化阻尼复合材料在面外拉伸和层间剪切载荷作用下，主要依靠层间界面结合力抵抗分层破坏，而嵌入式共固化缝合阻尼复合材料结构主要依靠阻尼材料与复合材料界面的IPN结构和复合钉的共同作用，也就是说，嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料结构的承载能力除了界面结合力外，还取决于纤维纱线形成“复合钉”的强度，选择高强度的纤维纱线进行缝合可以显著提高复合材料的层间结合能力，故嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料结构在层间结合强度、层间力学性能(面外抗拉强度、层间抗剪强度是复合钉与IPN结构同时起作用)等均优于无缝合工艺制作的嵌入式共固化阻尼复合材料构件(仅仅IPN结构起作用)；当然也优于缝合夹层阻尼的复合材料结构，由于现有技术中采用的阻尼材料是已经硫化的阻尼材料，比如市售的丁苯橡胶、顺丁橡胶和硅橡胶等，在共固化过程中要老化返原，丧失力学性能，层间没有IPN结构，仅仅复合钉起作用。

由于完成铺层工作的复合材料结构预成型体要放于缝合机上，按照设定的缝合参数针距、行距、缝合角度和缝合方式采用纤维纱线对其进行缝合，得到缝合预成型体，所以按照传统的导入工艺对该缝合预成型体进行导入，会出现树脂导入不均匀，特别是缝线附近的增强纤维受到缝合工艺张力的作用，让该处附近树脂的流动阻力加大，容易形成气泡、空洞或贫胶区，再加上阻尼薄膜阻断了下层贫胶预浸料与上层贫胶预浸料之间的树脂流通，这里提出扫频震动对树脂导入后的缝合预成型体进行激震静置交替加工。由于树脂导入缝合预成型体后，不可能均匀分布在该缝合预成型体中，在扫频震动时其各个局部区域的密度不同，震动过程的惯性力不同，里面的气泡就被挤到工件表面而进入真空管，里面的贫胶区也会因为局部惯性力的不同，树脂震动流动的速度不同而充满整个工件内部。

具体的，嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料的制作工艺，包括以下步骤：

第一步：准备模具

高光洁度和硬度的模具表面对嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料的真空导入工艺来说是非常重要的，加工前要把模具表面清理干净，然后打脱模蜡或抹脱模剂和铺下脱模布(由于阻尼薄膜的不透气性，有时会再加上导流网，以便下贫胶预浸料层的树脂顺利导入)，并且模具边缘至少保留15厘米，便于密封条和管路的铺设。

第二步：贫胶预浸料和小部分硫化的阻尼薄膜或带阻尼薄膜的贫胶预浸料铺设

选用贫胶预浸料和粘弹性阻尼薄膜或带阻尼薄膜的贫胶预浸料，这要依据制品设计要求来定，贫胶预浸料的树脂含量在15％-20％，以便于贫胶预浸料在缝合工序和在模具中的铺设工序的顺利实施。选择增强材料对真空导入工艺来说是很重要的一步，不同的材料和织法对树脂的流动性能有影响，所以在工艺上也要适当考虑，然后按照设计要求顺序进行铺设，形成预成型体。其中阻尼薄膜的制作工艺为：

1)根据阻尼材料组分制备混炼胶；

2)将混炼胶与有机溶剂按体积比例配制阻尼胶料溶液；

3)使用刷涂或喷涂或预浸工艺制备阻尼贫胶预浸料，然后获得带阻尼薄膜的贫胶预浸料；或直接使用压片法在平板硫化机上制作硫化程度在10％～15％的阻尼薄膜，再直接铺设于预成型体中。

第三步：缝合预成形体

根据设计要求对由下层贫胶预浸料、小部分硫化的阻尼薄膜、上层贫胶预浸料或下层贫胶预浸料、带阻尼薄膜的贫胶预浸料、上层贫胶预浸料的铺层顺序组成预成型体进行缝合(对于形状复杂的曲面预成型体需要先铺设在模具中，基本定型后再缝合)，使用纤维纱线在缝合机上依照缝合参数针距、行距、缝合角度、缝合方式把该预成型体缝合起来，形成缝合预成型体。

第四步：真空袋的铺设

将铺设有下脱模布的模具准备好后(对于较厚构件制作，有时会再加上导流网，以便下层贫胶预浸料的树脂顺利导入)，将缝合预成型体铺入模具中，再铺上脱模布，接着是导流网，最后是真空袋。在合上真空袋之前，要仔细考虑树脂和抽真空管路的走向，一般真空管和导入管要以制品的几何中心轴对称布置，否则有的地方树脂会无法浸润到而形成空洞和贫胶区。对于非对称模具，也应尽量分散布置树脂导入管及真空管，其目的为使模具负压保持相对均衡，或各处的树脂流动阻力处处一致，从而使树脂的导入更加均匀。铺设时还要非常小心，以免一些尖锐物刺破真空袋。

第五步：抽真空

铺完这些材料后，夹紧各进树脂管，对整个体系抽真空，尽量把体系中空气抽空，并检查气密性，这一步非常关键，如有漏点存在，当树脂导入时，空气会进入体系，在漏点附近生成气泡，严重者会导致整个制品报废，所以要及时查找漏点堵漏。

第六步：准备树脂

抽真空达到一定要求后，准备树脂，这里贫胶预浸料所用树脂与导入工艺所用树脂为同一种树脂。按凝胶时间配入相应的固化剂，一般真空导入树脂可以从颜色上来判断是否加了固化剂。

第七步：导入树脂

把进树脂管路插入配好的树脂桶中，根据进料顺序依次打开夹子，注意桶中树脂余量，必要时及时补充。需要进行说明的是由于阻尼薄膜的作用，树脂导入时，在模具下表面中心也要有树脂导入管，方便下贫胶预浸料树脂导入，否则由于阻尼薄膜的隔离，下层贫胶预浸料部分树脂导入阻力明显增大，很难被树脂浸润均匀。

第八步：扫频震动静置

树脂导入工艺完成后，要扫频震动静置，对浸润好树脂的缝合阻尼薄膜复合材料预成型结构所在系统进行扫频激震，激震器激震位置施加在模具下表面位于体系重心处，频率从五赫兹到一万赫兹，幅值在0.1-2mm，持续5-8分钟，然后静置3-5分钟，重复上述过程二到五次，让树脂在缝合阻尼薄膜复合材料预成型体里均匀混合充满整个制品，消除里面的汽包和贫胶区，停止扫频震动，一般阻尼薄膜嵌入的层数越多，预成型体愈厚，激震器激震和持续与静置时间取大值，反之取小值；

第九步：共固化脱模，取出试件

共固化前，带阻尼薄膜贫胶预浸料或小部分硫化的阻尼薄膜中的阻尼材料是处于未硫化或少部分硫化状态，因此嵌入式共固化缝合阻尼复合材料按照固化参数进行固化时，树脂材料的固化和粘弹性材料的硫化是同时进行的，树脂和粘弹性材料发生物理交联和化学反应，层间形成了互穿网络结构，同时在连续阻尼薄膜和复合材料层中通过四周树脂裹着缝线的“复合钉”形成，大大增强了嵌入式共固化缝合阻尼复合材料的层间结合力。共固化结束后降温并释放压力，取出试件，即可得到嵌入式共固化缝合阻尼复合材料构件。

与现有技术相比，本申请的技术方案具有如下有益效果：

(1)本申请提出了一套嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料制作新工艺流程，成功实现了用贫胶预浸料和导入工艺制作嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料；在制作阻尼薄膜时，阻尼溶液与贫胶预浸料的表面物理融合的更好；加之缝线作用，该工艺加工的复合材料试件有成本低、层间力学性能高等特点。

(2)通过扫频震动工艺的加入，使制得的嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料消除了气泡和贫胶区，质量高，力学性能一致性好，树脂利用率高，纤维增强材料含量高，阻尼高，生产效率高，但振幅不能过大，以免影响真空袋内的气密性。

(3)通过缝合工艺的使用，使阻尼材料和贫胶预浸料在几乎不损坏增强材料和让铺层移位的前提下，制作出了高层间力学性能的嵌入式共固化缝合阻尼复合材料。

(4)使用低温硫化的氢化丁氰为主体原料的粘弹性材料组分，该阻尼材料的损耗因子远大于氯丁橡胶为主体原料的粘弹性材料的损耗因子，且该阻尼材料和碳纤维2031CN环氧树脂制得的嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料具有更优异的阻尼性能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1嵌入连续阻尼薄膜复合材料预成型体；

图2嵌入连续阻尼薄膜复合材料缝合预成型体；

图3锁式缝合示意图；

图4真空导入嵌入式共固化缝合阻尼复合材料激震静置排气原理；

图5图4中M部位的局部放大图；

图6共固化工艺曲线；

图7嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料结构工艺流程

图8嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料结构试件。

其中：1、树脂，2、树脂管，3、截止阀，4、真空袋膜，5、导流网，6、脱模布，7、贫胶预浸料，8、真空泵，9、树脂收集器，10、模具，11、小部分硫化的阻尼薄膜或带阻尼薄膜的贫胶预浸料，12、激震器，13、放大器，14、信号发生器。

具体实施方式

下面结合图1到图8和实施例对本专利申请作进一步说明：

嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料主要是由下层贫胶预浸料、小部分硫化的阻尼薄膜或带阻尼薄膜的贫胶预浸料、上层贫胶预浸料以及纤维纱线通过缝合工艺、树脂导入工艺和共固化工艺加工而成。其制作工艺过程为：事先根据实际使用工况中所需承载能力的大小、边界条件和初始条件，设计出满足使用要求的复合材料铺设层数、铺层顺序、铺层角度(包括阻尼薄膜层数、层厚度和位置)以及纤维纱线的缝合方向、针距、行距和缝合方式等参数；然后按照铺层顺序对整个复合材料结构进行铺设，其铺层顺序是下层贫胶预浸料、部分硫化的粘弹性阻尼薄膜或带阻尼薄膜的贫胶预浸料、上层贫胶预浸料形成如图1所示的预成型体；将完成铺层工作的复合材料结构预成型体放于缝合机上，按照设定的缝合参数针距、行距、缝合角度和缝合方式采用纤维纱线对其进行缝合，得到如图2所示的缝合预成型体；将缝合预成型体铺入准备好的模具中，再铺上脱模布、导流网、真空袋等利用树脂导入工艺制成树脂缝合预成型体；然后将树脂缝合预成型体进行扫频震动静置处理；最后将树脂缝合预成型体共固化，即树脂浸润后的贫胶预浸料固化的同时，带阻尼薄膜的贫胶预浸料或小部分硫化的阻尼薄膜也进行硫化，完成嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料结构试件的制作。

材料选择和制备：

1)增强材料，就是贫胶预浸料7里的纤维材料，其特征是采用碳纤维、玻璃纤维或其它纤维增强材料，它直接关系到整体结构的承载性能。本实施例采用碳纤维布制成的贫胶预浸料7，树脂材料为2031CN环氧树脂，贫胶预浸料树脂含量在15％-20％。

2)带阻尼薄膜的贫胶预浸料，其特征是采用刷涂或喷涂或预浸工艺将粘弹性阻尼材料溶液刷涂或喷涂或预浸到贫胶预浸料上，形成带阻尼薄膜的贫胶预浸料11；或将混炼好的胶料裁剪成细长条的混炼胶碎片，按照使用的体积均匀放置于压片模具的型腔中，通过平板硫化机加压、加热将混炼好的胶料压成小部分硫化的阻尼薄膜，一般硫化程度在10％～15％。其实质就是使用模具将粘软的阻尼材料原胶压制成一定硫化程度和厚度的阻尼薄膜，将其铺设于上、下层贫胶预浸料之中后缝合，保证带粘弹性阻尼薄膜的贫胶预浸料或小部分硫化阻尼薄膜的剩余硫化温度和时间与树脂固化温度和时间基本一致。本实施例采用刷涂工艺将编织碳纤维布贫胶预浸料制成了带阻尼薄膜的贫胶预浸料11。

3)纤维纱线，其特征是具有高强度、一定的可延展性和耐磨损性，而且其性能不受复合材料固化的影响。用纤维纱线把预成型体中的下层贫胶预浸料、粘弹性阻尼薄膜或带阻尼薄膜的贫胶预浸料、上层贫胶预浸料缝合在一起，形成缝合预成型体。缝合纤维纱线类型，一般常用类型有Kevlar纤维、碳纤维、玻璃纤维等。本实施例采用Kevlar纤维，该纤维有拉伸强度高(3.0GPa～5.5GPa)、弹性模量大(80GPa～160GPa)、断裂伸长率小(在3％左右)、耐冲击性能好、质轻等特点，现已成为防弹材料和航空结构不可或缺的高性能纤维材料。

4)缝合纤维纱线的股数，其特征是纱线加捻成缝合线，使其紧密结合并成为圆形截面，这样易于穿过针眼且具有良好的耐磨损性。本专利缝合纤维为Kevlar-29，具体规格为400D/3。

5)缝合纱线的直径，其特征是缝合纱线直径增大，提高了缝合复合材料的层间断裂韧性和抗冲击损伤能力，对于一定的缝合密度，层合板的抗脱层开裂和冲击损伤能力都随缝线直径的增加而提高，所以，用大直径的缝合纱线缝制而成的复合材料具有高抗冲击能力和层间结合能力。本专利缝合纤维为Kevlar-29直径为0.35mm。

6)缝合密度，表示单位面积缝合的针数，缝合密度越大，复合材料的分层抗力越大，层间力学性能(抗拉、抗剪强度)提高，结构的整体刚度越大，但受到外载荷作用下结构的变形小，导致嵌入式共固化缝合阻尼复合材料结构的阻尼减振性能降低，所以，缝合密度不能过大，本申请的缝合针距为7.5mm、行距为15mm。

7)缝合角度，缝合增强方法主要有垂直缝合和角缝合，其中角缝合的可设计性较好，具体缝合角度还需根据所需缝合的复合材料板的实际厚度决定，一般多采用0°、45°和90°的缝合角度，研究表明，缝合方向与加载方向垂直时对改善刚度性能更为有利，本专利采用90°的缝合角度。

8)缝合样式，考虑到缝合的难易程度及缝合方式对复合材料层间力学性能的增强程度，具体缝合方式分为：

锁式缝合和交错缝合，由于如图3所示的锁式缝合方式，有缝合线弯曲少、工艺简单、层间强度高、面内纤维损伤少、缝合引起的应力集中也较小以及缝合后的复合材料具有相对更高的损伤容限等优点，本专利实施采用锁式缝合。

9)由于完成铺层工作的复合材料结构预成型体要放于缝合机上，按照设定的缝合参数(缝合针距、行距、缝合角度等)采用纤维纱线对其进行缝合，得到缝合预成型体，加上阻尼薄膜的透气性差，所以按照传统的导入工艺对该缝合预成型体进行导入，会出现树脂导入不均匀，特别是下层贫胶预浸料部分以及受到缝合工艺张力作用的缝线附近的增强纤维，让这些位置附近树脂的流动阻力加大，容易形成气泡、空洞或贫胶区，这里提出如图4所示扫频震动的树脂导入加工工艺对缝合预成型体进行树脂导入加工。当树脂导入缝合预成型体后，不可能均匀分布在该缝合预成型体里，在扫频震动的过程中其各个局部区域的密度不同，震动过程的惯性力不同，里面的气泡就被挤到工件表面而进入真空管，里面的贫胶区也会因为局部惯性力的不同，树脂震动流动的速度不同而充满整个工件内部。具体过程为：

第一步：准备模具

对嵌入式共固化缝合阻尼复合材料的真空导入工艺来说，高硬度和高光泽度的模具也是非常重要的。把模具清理干净，然后打脱模蜡或抹脱模剂和铺脱模布(有时会再加上导流网，以便下层贫胶预浸料的树脂导入)，并且模具10边缘至少保留15厘米，便于密封条和管路的铺设。

第二步：贫胶预浸料和小部分硫化的阻尼薄膜或带阻尼薄膜的贫胶预浸料铺设

选用贫胶预浸料和小部分硫化阻尼薄膜或带阻尼薄膜的贫胶预浸料，这要依据制品设计要求来定。选择增强材料对真空导入工艺来说是很重要的，不同的材料和织法会影响树脂流动性，在工艺上也应适当考虑，然后按照设计要求顺序进行铺设，形成预成型体。其中阻尼薄膜的制作工艺为：

当嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料中要求较高的阻尼损耗因子时，阻尼层的厚度要适当增大。嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料对于粘弹性阻尼层的特殊要求主要包括：

1、温度要求，阻尼薄膜的硫化温度必须与碳纤维布环氧树脂的固化温度相同。

2、固化时间的要求，在碳纤维环氧树脂固化过程中，阻尼层必须完成硫化。环氧树脂固化温度为低温120℃，固化时间约为2-3小时。这就要求阻尼薄膜的硫化温度和时间与环氧树脂固化温度和时间一致，且不能出现硫化返原或硫化不足现象，否则影响整个结构的力学性能。根据以上要求和大量实验，本实施例使用以氢化丁氰为主体原料的粘弹性材料，该阻尼材料的损耗因子远大于氯丁橡胶为主体原料的粘弹性材料的损耗因子，具体组分为：

以质量份计，氢化丁腈橡胶(HNBR，型号4367)，100份；炭黑N220，40份；氧化锌(ZnO)，5份；硬脂酸(SA)，1份；防老剂N445(化学名称：4.4-双(2.2-二甲基苄基)二苯胺)，1.5份；促进剂TMTD，0.8份；硫磺(S)，2.5份；促进剂CZ，1.5份；抗氧剂1010，30份。

混炼胶的制备过程：将生胶氢化丁腈橡胶(HNBR4367)在开炼机上进行混炼，一起加入氧化锌、硬脂酸、促进剂CZ、防老剂N445，再加入抗氧化剂1010、补强剂炭黑N220，最后加入促进剂TMYD、硫磺S，来回割胶3遍，将辊距调到最小，薄通4遍，调整辊距到3mm左右，混炼均匀后出片；混炼胶放置4小时及以上，对其进行反炼5分钟，薄通4-5遍，将混炼胶压成薄片。

阻尼胶料溶液的制作过程：按混炼胶和有机溶剂体积比1:4量取溶剂，有机溶剂选用汽油或四氢呋喃，将裁剪的混炼胶碎片置于有机溶剂中，在阴凉通风处密封放置48小时及以上，每隔12小时搅拌一次，以加快混炼胶碎片的溶解，混炼胶碎片充分溶解后即得到阻尼胶料溶液。

本申请制备带阻尼薄膜的贫胶预浸料为碳纤维布贫胶预浸料，其刷涂工艺过程为：分别在两片碳纤维布贫胶预浸料的一个表面刷涂一定厚度的阻尼胶料溶液，刷涂过程中采用每次薄刷分多次刷涂的方法，在每刷涂一次之后将其放在通风处，待溶剂挥发后才可以进行下一次的刷涂，多次刷涂后形成一面带有一定厚度阻尼材料的碳纤维布贫胶预浸料，然后将两片带阻尼材料的碳纤维布贫胶预浸料有阻尼材料的一面贴合，得到带阻尼薄膜的贫胶预浸料11，并确保阻尼贫胶预浸料中的有机溶剂彻底挥发掉，注意碳纤维布贫胶预浸料中的树脂与导入的树脂材料是同一种树脂。

第三步：缝合预成形体

根据设计要求铺设下贫胶预浸料、带阻尼薄膜的贫胶预浸料、上贫胶预浸料形成预成型体后，使用纤维纱线依照缝合参数针距、行距、缝合角度、缝合方式把该预成型体缝合起来，制成缝合预成型体，本实施例贫胶预浸料的树脂为：环氧树脂2031CN，含量在15％-20％。

第四步：真空袋膜铺设

将铺设有下脱模布的模具10准备好后(有时会再加上导流网，以便下贫胶预浸料层的树脂顺利导入)，将缝合预成型体铺入模具，铺上脱模布6，接着是导流网5，最后是真空袋膜4(如图4和图5)。在封闭真空袋4之前，要仔细考虑树脂和抽真空管路的走向，一般真空管和导入管要以制品的几何中心轴对称布置，否则有的地方树脂会无法浸润到。

第五步：抽真空

铺完这些材料后，夹紧各进树脂管，打开真空泵8对整个体系抽真空，尽量把体系中空气抽空，并检查气密性，如有漏点要及时检查并堵漏，防止制成废品。

第六步：准备树脂

抽真空达到一定要求后，准备树脂，按凝胶时间配入相应的固化剂。

第七步：导入树脂

树脂的导入参见图4和图5，本实施例导入树脂材料为2031CN环氧树脂，与贫胶预浸料所用树脂是同一种树脂，把进料管2插入配好的树脂桶中，根据进料顺序依次打开夹子和截止阀3，注意桶中树脂1余量，必要时及时补充，多余的树脂会留在树脂收集器9中。需要进行说明的是由于阻尼薄膜的透气性差，树脂导入时，在有下脱模布的模具(有时会再加上导流网，以便下贫胶预浸料层的树脂导入)下表面中心要有树脂导入管，方便下贫胶预浸料树脂导入，否则下贫胶预浸料部分树脂很难浸润均匀。

第八步：扫频震动静置

对浸润好树脂的缝合预成型体所在模具进行扫频激震，首先信号发生器14发出扫频信号，经过放大器13和激震器12对系统激震，频率从五赫兹到一万赫兹，幅值在0.1-2mm，持续5分钟，然后静置3分钟；重复上述过程二到四次，让缝合预成型体里树脂均匀充满整个制品，消除里面的气泡和贫胶区，停止扫频震动。

第九步：共固化脱模

完成扫频震动静置后，成型过程要求复合材料基体和粘弹性阻尼材料能够有一致的固化或硫化参数，包括固化或硫化的压力、温度以及固化或硫化时间，这样才能使其在共固化的工艺过程中形成互穿网络结构和缝合后生成的复合钉结构，从而使该结构有良好的层间结合性能。本实施例的复合材料的固化工艺曲线如图6所示，真空袋内一直保持0.08～0.095MPa的负压，从室温以1～3℃/min的升温速率使温度达到120℃保温2小时，然后以不大于降温速率1.5℃/min的降温速率降至60℃以下，完成嵌入式共固化缝合阻尼复合材料的共固化，最后卸去真空袋内的压力，去除模具和辅助材料，将对嵌入式共固化缝合阻尼复合材料进行去边等后处理。

在树脂的导入过程中液体树脂会和缝线贯通整个复合材料层(包括阻尼层)，使连续阻尼薄膜和复合材料层通过四周树脂裹着缝线的“复合钉”(其本身结构存在缝线增强相和树脂基体相，故称复合钉)偶联起来，实现层间IPN结构与“复合钉”共同作用，完成嵌入式共固化缝合阻尼复合材料整体结构的层间可靠连接，在保证结构高阻尼的情况下增加了整个结构的强度和刚度，有效地抑制结构分层。

图7是本申请提出的嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料真空导入工艺的加工流程，实施后结果如图8所示，从制作的试件来看，气泡极少，消除了贫胶区，表面质量高，特别是层间力学性能，经试验其层间剪切力学性能在缝合方向与对应的嵌入式共固化连续阻尼薄膜(无缝合工艺)复合材料提高了3～4倍。

对比例1：本申请还研究了采用不同树脂含量的预浸料对嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料力学性能的影响，控制其他试验条件与本申请的相同，通过试验结果发现，采用正常含量树脂的预浸料(含量为25～35wt％)制备得到的嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料时，缝合困难，模腔中弯曲半径小的突出位置很难铺设，质量的合格率明显较低，相比于本申请采用贫胶预浸料制备得到的嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料，该对比例制备得到的复合材料的层间力学性能降低12％～20％。

对比例2：在试验研究过程中，本申请还研究了扫频激震处理对嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料力学性能的影响程度，控制其他试验条件与本申请的相同，该对比例对得到的复合材料的预成型体不进行扫频激震处理，通过试验结果发现，扫频激震处理对嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料的质量和力学性能具有重要的影响，不经过扫频激震处理的复合材料中的汽包和空洞较多，出现贫胶区，严重影响了产品的质量，降低了产品的合格率。相比于本申请采用扫频激震处理处理后制备得到的嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料，该对比例制备得到的复合材料的层间力学性能降低15％～50％。

上述实施例为本申请较佳的实施方式，但本申请的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本申请的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料的制作工艺，其特征是，包括以下步骤：

首先，按照下层贫胶预浸料、小部分硫化的阻尼薄膜或者带阻尼薄膜的贫胶预浸料和上层贫胶预浸料的铺层顺序进行铺设，形成预成型体；使用纤维纱线按照设计要求将该预成型体缝合起来，形成缝合预成型体；

然后，对缝合预成型体导入树脂，而且贫胶预浸料所用树脂与导入工艺所用树脂为同一种树脂，形成树脂缝合预成型体；再对树脂缝合预成型结构所在体系进行扫频激震处理；

最后，按照共固化工艺参数将扫频激震处理后的树脂缝合预成型体共固化，即得到嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料。

2.如权利要求1所述的制作工艺，其特征是：所述贫胶预浸料中的树脂含量为15~20%。

3.如权利要求1所述的制作工艺，其特征是：所述贫胶预浸料中的增强材料选用碳纤维、玻璃纤维或其他纤维中的一种。

4.如权利要求1所述的制作工艺，其特征是：带阻尼薄膜的贫胶预浸料采用刷涂或喷涂或连续预浸工艺制备得到，即将阻尼材料按合适比例溶于有机溶剂中形成阻尼材料溶液，用刷子或喷枪或浸润工艺将该溶液刷或喷或浸润在单层贫胶预浸料之上，待阻尼材料溶液中的有机溶剂挥发后，就得到带阻尼薄膜的贫胶预浸料。

5.如权利要求1所述的制作工艺，其特征是：所述小部分硫化的阻尼薄膜或者带阻尼薄膜的贫胶预浸料中的阻尼材料的组分为：

以质量份计，氢化丁腈橡胶，90~110份；炭黑N220，30~50份；氧化锌，4~6份；硬脂酸，0.8~1.2份；防老剂N445，1~2份；促进剂TMTD，0.5~1份；硫磺，2~3份；促进剂CZ，1~2份；抗氧剂1010，25~35份。

6.如权利要求5所述的制作工艺，其特征是：所述小部分硫化的阻尼薄膜或者带阻尼薄膜的贫胶预浸料中的阻尼材料的组分为：以质量份计，氢化丁腈橡胶，100份；炭黑N220，40份；氧化锌，5份；硬脂酸，1份；防老剂N445，1.5份；促进剂TMTD，0.8份；硫磺，2.5份；促进剂CZ，1.5份；抗氧剂1010，30份。

7.如权利要求1所述的制作工艺，其特征是：选用的纤维纱线类型为Kevlar纤维、碳纤维、玻璃纤维或其它高性能纤维纱线；

优选的，所述纤维纱线的种类为Kevlar纤维，纤维纱线所形成的缝合纤维为Kevlar-29，其直径为0.35mm。

8.如权利要求1所述的制作工艺，其特征是：对树脂缝合预成型体扫频激震时，采用激震器进行处理，激震器激震位置施加在体系的模具下表面位于体系重心处，频率从五赫兹到一万赫兹，幅值在0.1-2mm，持续5-8分钟，然后静置3-5分钟，重复上述过程二到五次。

9.如权利要求1所述的制作工艺，其特征是：共固化时，真空袋内一直保持0.08~0.095MPa的负压，从室温以1~3℃/min的升温速率使温度达到120℃保温2小时，然后以不大于降温速率1.5℃/min的降温速率降至60℃以下，完成嵌入式共固化缝合阻尼复合材料的共固化。

10.采用权利要求1~9中任一项制作工艺得到的嵌入式共固化缝合阻尼薄膜复合材料。