CN108045010B - 多层复合材料泡沫夹芯板及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种多层复合材料泡沫夹芯板及制备方法。由泡沫夹芯、纤维和树脂制成，至少包括三层泡沫夹芯，每层泡沫夹芯由单元模块排列组成，每个泡沫夹芯单元模块的外壁上开有树脂灌注槽，纤维布设在每个泡沫夹芯单元模块的除端部之外的表面上，树脂通过灌注槽灌注并渗透在纤维中，树脂固化后泡沫夹芯、纤维和树脂形成整体。本发明有效降低制了造成本和提高了力学性能，本发明的多层复合材料泡沫夹芯板制备方法，采用沟槽型真空注射成型工艺在芯材表面布设流道,树脂通过流道快速充模。沟槽型真空注射成型工艺不需要高渗透介质和剥离材料,工艺简单，成本低,特别适合于大型、加筋和夹芯异型结构件的制备。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种复合材料，本发明也涉及一种复合材料的制备方法。具体地说是一种多层复合材料泡沫夹芯板及制备方法。
背景技术
复合材料夹芯结构通过芯材以增大截面惯性矩，获得较高的抗弯强度和刚度,而且采用复合材料夹芯构件可以获得较好的能量吸收能力，大量的实验研究证明用复合材料结构作为能量吸收部件要比一些常用的金属材料结构具有较高的能量吸收能力，并且压溃载荷分布均匀，已经逐步在船舶、航天航空、交通等防护工程领域得到应用。
复合材料夹芯结构的种类很多，根据芯子不同主要有泡沫夹芯结构、蜂窝夹芯结构、格栅夹芯结构、点阵夹芯结构等，其中复合材料泡沫夹芯结构是工业界应用最为广泛和成熟的夹芯结构之一。泡沫夹芯复合材料是由两个高强度、高模量的薄面板及柔性较好的轻质闭孔泡沫芯材复合而成，具有其轻质、高比强度、高比刚度及优良的抗冲击、隔热、隔音等特性。但复合材料泡沫夹芯结构依然存在抗剪抗压强度低和界面易剥离以及吸能能力弱等问题，从而导致了复合材料泡沫夹芯结构的承载优势未能完全发挥出来。
为了解决以上存在的问题，国内外研究人员对复合材料泡沫夹芯结构开展了力学性能增强研究，比如常用的增强方法有缝纫、Z-Pinning技术。缝纫技术是采用纤维丝作为缝线对若干层由纤维编织物铺叠而成的面板和硬质泡沫芯材进行缝合，通过真空辅助树脂模塑技术或者真空辅助树脂注射技术固化成型。Z-Pinning技术将金属短棒或预成型的纤维柱沿厚度方向植入到泡沫芯层内，并将短棒的两端插入面板，在增加面芯之间结合强度的同时亦对芯层进行厚度方向增强，能够有效提升夹芯结构的整体力学性能。虽然诸多研究结果表明，缝纫和Z-Pinning技术能够改善夹芯结构面芯结合强度、增强泡沫芯层的力学性能，但由于工艺复杂、成本昂贵、生产效率较低而应用较少。此外，缝纫与Z-Pinning技术中纤维或金属针插入面板，引起面板内纤维丝弯曲和树脂富集，会破坏面板的整体性，削弱了面板自身的力学性能。另外，复合材料泡沫夹芯板的厚度普遍不大，而且常为单层结构，这样复合材料泡沫夹芯板的抗弯强度、刚度和面板法向的吸能效果受限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、力学性能好的多层复合材料泡沫夹芯板。本发明的目的还在于提供一种工艺简单，特别适合于大型、加筋和夹芯异型结构件制备的多层复合材料泡沫夹芯板的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的多层复合材料泡沫夹芯板由泡沫夹芯、纤维和树脂制成，至少包括三层泡沫夹芯，每层泡沫夹芯由单元模块排列组成，每个泡沫夹芯单元模块的外壁上开有树脂灌注槽，纤维布设在每个泡沫夹芯单元模块的除端部之外的表面上，树脂通过灌注槽灌注并渗透在纤维中，树脂固化后泡沫夹芯、纤维和树脂形成整体。
本发明的多层复合材料泡沫夹芯板还可以包括：
1、泡沫夹芯单元模块的截面为梯形，树脂灌注槽开在梯形的侧面和下底中间位置。
2、泡沫夹芯单元模块的截面为矩形，内层的矩形泡沫芯单元模块的树脂灌注槽开在矩形的两个侧面，外层的矩形泡沫芯单元模块的树脂灌注槽开在矩形的两个侧面和一个底面。
本发明的多层复合材料泡沫夹芯板的制备方法为：
由单元模块排列组成至少三层泡沫夹芯，每个泡沫夹芯单元模块的外壁上开有树脂灌注槽，在一层树脂灌注槽的末端填充热熔胶形成注入槽，在另一层树脂灌注槽的末端填充热熔胶形成吸出槽，注入槽和吸出槽交错分层布置，纤维布设在每个泡沫夹芯单元模块的除端部之外的表面上，在泡沫夹芯两端铺设导流网，使用沟槽型真空注射成型工艺使树脂从注入端注入、吸出端吸出。
本发明的多层复合材料泡沫夹芯板的制备方法还可以包括：
1、泡沫夹芯单元模块的截面为梯形，树脂灌注槽开在梯形的侧面和下底中间位置；每层泡沫夹芯与纤维的铺设过程为：第一步、铺设一层平板纤维，第二步、在平板纤维上铺设一层正梯形泡沫夹芯单元模块，第三步、在正梯形泡沫夹芯单元模块上铺设一层波纹板纤维，第四步、在波纹板纤维上铺设一层倒梯形泡沫夹芯单元模块；重复步骤一至四形成下一层，在最后一层的倒梯形泡沫夹芯单元模块上铺设一层平板纤维。
2、泡沫夹芯单元模块的截面为矩形，内层的矩形泡沫芯单元模块的树脂灌注槽开在矩形的两个侧面，外层的矩形泡沫芯单元模块的树脂灌注槽开在矩形的两个侧面和一个底面；每层泡沫夹芯与纤维的铺设过程为：第一步、在每块泡沫夹芯单元模块的表面缠绕纤维，第二步、铺设一层平板纤维，第三步、在平板纤维上铺设缠绕纤维的泡沫夹芯单元模块；重复步骤一至三形成下一层，在最后一层的缠绕纤维的泡沫夹芯单元模块上铺设一层平板纤维。
3、所述使用沟槽型真空注射成型工艺使树脂从注入端注入、吸出端吸出的具体过程为：由泡沫夹芯单元模块和纤维铺设完成之后，在两端铺设导流网后置于一端带有注入管、另一端带有吸出管的真空袋中，抽真空后通过注入管注入树脂，热熔胶堵塞树脂注入槽端部，树脂流入注入槽后沿垂直于注入槽的方向注入纤维；通过吸出管吸出树脂，热熔胶堵塞树脂吸出槽端部，避免从注入端注入的树脂被直接吸入树脂吸出槽，树脂吸出槽吸走气泡和多余的树脂。
本发明的主要特点体现在：使用沟槽型真空注射成型工艺。沟槽(注入槽2和吸出槽4)均匀设置在泡沫夹芯1表面，注入槽2和吸出槽4交错分层布置。泡沫夹芯1之间铺设有纤维，两端铺设导流网，树脂从注入端注入，吸出端吸出。
树脂注入槽2，用热熔胶3堵塞树脂注入槽2端部，这样树脂将会无法直接从吸出端吸走，树脂流入注入槽2后沿垂直于注入槽2的方向注入纤维。
树脂吸出槽4，用热熔胶3堵塞树脂吸出槽4端部，可以避免从注入端注入的树脂被直接吸入树脂吸出槽4，树脂吸出槽4可以吸走气泡和多余的树脂，同时避免孤岛产生。
泡沫夹芯1，形状为三角形、梯形或者矩形，交错多层布置。
树脂注入顺序依次是：注入端、注入槽2、玻璃纤维、吸出槽4、吸出端。
本发明相对于现有技术具有实质性特点和进步。主要表现在以下方面：
1、复合材料泡沫夹芯板使用真空注射成型工艺一体成型，成品的整体性好，孔隙率低。
2、使用沟槽引导树脂进行注入，注入速度快，无需导流网等耗材。
3、沟槽与通孔内的树脂固化后嵌入泡沫，增加了复合材料与泡沫的结合强度，提高了结构的整体性。
4、固化后的树脂起到剪力键的作用，提高了抗剪强度和抵抗界面剥离的能力。
5、本发明的制备工艺简单，制造成本低，适合大批量生产。
本发明有效降低制了造成本和提高了力学性能，本发明的多层复合材料泡沫夹芯板制备方法，采用沟槽型真空注射成型工艺在芯材表面布设流道,树脂通过流道快速充模。沟槽型真空注射成型工艺不需要高渗透介质和剥离材料,工艺简单，成本低,特别适合于大型、加筋和夹芯异型结构件的制备。本发明在船舶、桥梁、航天等领域的防撞设备有广泛的应用前景。
附图说明
图1为复合材料梯形泡沫夹芯板示意图；
图2为梯形泡沫芯截面图；
图3为复合材料梯形泡沫夹芯板树脂注入示意图；
图4为复合材料梯形泡沫夹芯板树脂吸出示意图；
图5为3层复合材料梯形泡沫夹芯板截面图；
图6为3层复合材料梯形泡沫夹芯板树脂流动方向示意图；
图7为5层复合材料梯形泡沫夹芯板树脂流动方向示意图；
图8为复合材料矩形泡沫夹芯板示意图；
图9为矩形泡沫芯截面图；
图10为复合材料矩形泡沫夹芯板树脂注入示意图；
图11为复合材料矩形泡沫夹芯板树脂吸出示意图；
图12为3层复合材料矩形泡沫夹芯板截面图；
图13为3层复合材料矩形泡沫夹芯板树脂流动方向示意图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
结合图1至图6，本发明的第一种实施方式是一种3层复合材料梯形泡沫夹芯板。
如图1所示为复合材料梯形泡沫夹芯板示意图，复合材料梯形泡沫夹芯板由梯形泡沫芯、波纹板纤维、平板纤维构成。共4层平板纤维和3层波纹板纤维。梯形泡沫芯填充在平板纤维和波纹板纤维之间。复合材料梯形泡沫夹芯板外形为一长方体，主要承受平面法线方向的撞击。本复合材料梯形泡沫夹芯板采用沟槽型真空注射成型工艺进行制备。在复合材料梯形泡沫夹芯板的注入端和吸出端铺设有导流网，真空源设置在吸出端，树脂将从图示注入端进行注入，从吸出端吸出。
每层的平板纤维厚度和波纹板纤维厚度需根据耐撞性要求进行设计，在撞击时平板纤维主要受拉，平板纤维应具有足够的强度，保证在撞击过程中不会断裂。波纹板纤维主要受压，通过对波纹板纤维进行设计可以控制结构的失效模式。波纹板纤维可以选择从下往上逐层变薄，这样在承受撞击时可以实现最上层先破坏，然后逐层发生压溃。从而实现渐进的，可控的破坏。当碰撞力比较小时，仅外层波纹板纤维破坏，有效减少撞击后的修复成本。
如图2所示为梯形泡沫芯截面图，在梯形泡沫芯的侧面和下底中间位置开有树脂注入槽2，梯形泡沫芯的上底没有开槽。
如图3所示为复合材料梯形泡沫夹芯板树脂注入示意图，树脂从注入端注入，并快速流入树脂注入槽2。在树脂注入槽2的后部填充有热熔胶3，由于热熔胶3的阻塞，树脂无法直接从吸出端吸走。树脂将沿图示小箭头方向注入纤维。
如图4所示为复合材料梯形泡沫夹芯板树脂吸出示意图，树脂沿小箭头方向被吸入树脂吸出槽4。在树脂吸出槽4的前部填充有热熔胶3，热熔胶3可以避免从注入端注入的树脂被直接吸入树脂吸出槽4。
如图5所示为3层复合材料梯形泡沫夹芯板截面图，在图中有许多树脂注入槽2和树脂吸出槽4，在同一高度上仅有树脂注入槽2或树脂吸出槽4。如图6所示为3层复合材料梯形泡沫夹芯板树脂流动方向示意图，图中“¤”表示树脂注入槽、“※表示树脂吸出槽，图中箭头表示树脂流动方向。
结合图7，本发明的第二种实施方式是一种5层复合材料梯形泡沫夹芯板。
如图7所示为5层复合材料梯形泡沫夹芯板树脂流动方向示意图，按照此规律，本发明的多层复合材料泡沫夹芯板可以在宽度、长度、厚度方向上任意设计。
复合材料梯形泡沫夹芯板制备时，树脂注入复合材料梯形泡沫夹芯板的注入端。吸出端连有树脂收集罐和真空泵，树脂从注入端注入，吸出端吸出。
按照本发明的制备方法可以很好地进行多层复合材料泡沫夹芯板的树脂注入，成品无孤岛，注入质量好。
本发明的第三种实施方式是在上述两种实施方式的基础上，将梯形泡沫芯更改为三角形泡沫夹芯。
复合材料三角形泡沫夹芯板制备方法和复合材料梯形泡沫夹芯板制备方法相似，将梯形的上底缩小至零即复合材料三角形泡沫夹芯板。
结合图8至图13，本发明的第四种实施方式是一种复合材料矩形泡沫夹芯板。
如图8所示为复合材料矩形泡沫夹芯板示意图，和梯形夹芯不同，其面板纤维仅在最外层，中间可以不设置额外的平面纤维。
如图9所示为矩形泡沫芯截面图，内部的矩形泡沫芯仅在两个侧面开有树脂注入槽。最外层的矩形泡沫芯是三面开槽的。玻璃纤维缠绕在矩形泡沫芯外。
图10所示为复合材料矩形泡沫夹芯板树脂注入示意图，树脂从注入端注入，并快速流入两侧的树脂注入槽2。在树脂注入槽2的后部填充有热熔胶3，由于热熔胶3的阻塞，树脂无法直接从吸出端吸走。树脂将沿图示小箭头方向注入纤维。
图11为复合材料矩形泡沫夹芯板树脂吸出示意图，树脂沿小箭头方向被吸入两侧的树脂吸出槽4。在树脂吸出槽4的前部填充有热熔胶3，热熔胶3可以避免从注入端注入的树脂被直接吸入树脂吸出槽4。
图12为3层复合材料矩形泡沫夹芯板截面图，在图中有许多树脂注入槽2和树脂吸出槽4，在同一高度上仅有树脂注入槽2或树脂吸出槽4。矩形泡沫芯交错布置。如图13所示为3层复合材料矩形泡沫夹芯板树脂流动方向示意图，图中“¤”表示树脂注入槽、“※”表示树脂吸出槽，图中箭头表示树脂流动方向。
以上是本发明的典型实施例，本发明的实施不限于此。
Claims (4)
1.一种多层复合材料泡沫夹芯板的制备方法，其特征是：由单元模块排列组成至少三层泡沫夹芯，每个泡沫夹芯单元模块的外壁上开有树脂灌注槽，在一层树脂灌注槽的末端填充热熔胶形成注入槽，在另一层树脂灌注槽的末端填充热熔胶形成吸出槽，注入槽和吸出槽交错分层布置，纤维布设在每个泡沫夹芯单元模块的除端部之外的表面上，在泡沫夹芯两端铺设导流网，使用沟槽型真空注射成型工艺使树脂从注入端注入、吸出端吸出。
2.根据权利要求1所述的多层复合材料泡沫夹芯板的制备方法，其特征是：泡沫夹芯单元模块的截面为梯形，树脂灌注槽开在梯形的侧面和下底中间位置；每层泡沫夹芯与纤维的铺设过程为：第一步、铺设一层平板纤维，第二步、在平板纤维上铺设一层正梯形泡沫夹芯单元模块，第三步、在正梯形泡沫夹芯单元模块上铺设一层波纹板纤维，第四步、在波纹板纤维上铺设一层倒梯形泡沫夹芯单元模块；重复步骤一至四形成下一层，在最后一层的倒梯形泡沫夹芯单元模块上铺设一层平板纤维。
3.根据权利要求1所述的多层复合材料泡沫夹芯板的制备方法，其特征是：泡沫夹芯单元模块的截面为矩形，内层的矩形泡沫芯单元模块的树脂灌注槽开在矩形的两个侧面，外层的矩形泡沫芯单元模块的树脂灌注槽开在矩形的两个侧面和一个底面；每层泡沫夹芯与纤维的铺设过程为：第一步、在每块泡沫夹芯单元模块的表面缠绕纤维，第二步、铺设一层平板纤维，第三步、在平板纤维上铺设缠绕纤维的泡沫夹芯单元模块；重复步骤一至三形成下一层，在最后一层的缠绕纤维的泡沫夹芯单元模块上铺设一层平板纤维。
4.根据权利要求2或3所述的多层复合材料泡沫夹芯板的制备方法，其特征是：所述使用沟槽型真空注射成型工艺使树脂从注入端注入、吸出端吸出的具体过程为：由泡沫夹芯单元模块和纤维铺设完成之后，在两端铺设导流网后置于一端带有注入管、另一端带有吸出管的真空袋中，抽真空后通过注入管注入树脂，热熔胶堵塞树脂注入槽端部，树脂流入注入槽后沿垂直于注入槽的方向注入纤维；通过吸出管吸出树脂，热熔胶堵塞树脂吸出槽端部，避免从注入端注入的树脂被直接吸入树脂吸出槽，树脂吸出槽吸走气泡和多余的树脂。
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