CN110154490A - 具有多层复合结构的热塑性芯材和包括该芯材的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有多层复合结构的热塑性芯材和包括该芯材的设备，包括沿第一方向(D1)延伸且沿第二方向(D2)层叠拼接的具有多层片材结构的多个芯材单元片(30)，至少部分的芯材单元片(30)的一侧片材表面形成有沿片材长度方向重复呈现的几何高点且另一侧片材表面形成有沿片材长度方向重复呈现的几何低点，并通过对位抵接的几何高点和几何低点形成多个轴孔结构。本发明的热塑性芯材解决了传统蜂窝芯材的制造成本高、物料浪费、不可添加功能填料及增强填料的问题，实现了蜂窝芯可填充、低成本等优点以及节约型的生产制造，且复合层结构有利于将芯材应用在一些有特定功能需求(例如阻燃、防腐等)的实际场合，通用性高，应用领域广泛。

Description

具有多层复合结构的热塑性芯材和包括该芯材的设备

技术领域

本发明涉及材料成型技术领域，具体地，涉及一种具有多层复合结构的热塑性芯材和包括该芯材的设备。

背景技术

纤维增强热塑性复合材料由于与传统金属结构材料(例如铝合金、钢铁等)相比具有更好的比强度且具有可设计性、可回收利用等优点而被广泛应用在轻载货运、冷链物流、建筑模板和航空物流等领域。

但该纤维增强热塑性复合材料的比模量存在严重不足，因此其抗弯能力较弱，为克服此缺陷，通常将其与轻质蜂窝芯复合制备成热塑性三明治复合材料，以增加板材的厚度，进而增加板材的横截面惯性矩，在无须过多增加质量的前提下，即能有效提升其抗弯能力。

但现有的能够大量生产使用的热塑性三明治复合材料的种类有限，其热塑性芯材的加工工艺通常涉及吹塑或吸塑环节(例如圆管蜂窝芯材、半封闭折叠蜂窝芯材)，这就限制了蜂窝孔的最大孔壁厚度，当最大壁厚受限时，就无法在芯材中填充大量的功能填料和结构填料，否则容易造成破壁，从而破坏芯材的结构，换言之，现有的热塑性芯材难以进一步提高强度和增加功能多样性。此外，现有的该热塑性芯材还存在加工效率和加工质量可控性低、加工成本高等问题。

由此可见，现阶段还亟待开发出一种轻质、重载、多功能、低成本且能够实现大规模批量化高效生产的热塑性芯材。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷或不足，本发明提供了一种具有多层复合结构的热塑性芯材和包括该芯材的设备，能够大规模连续化生产加工且生产成本低，且能够适用于对结构强度要求高或有特定功能需求的使用场景。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有多层复合结构的热塑性芯材，所述热塑性芯材包括沿第一方向延伸且沿第二方向层叠拼接的多个芯材单元片，至少部分的所述芯材单元片的一侧片材表面形成有沿片材长度方向重复呈现的几何高点且另一侧片材表面形成有沿片材长度方向重复呈现的几何低点；

其中，相邻的所述芯材单元片之间通过对位抵接的所述几何高点和所述几何低点而形成沿所述第一方向依次分布的多个轴孔结构，所述轴孔结构包括轴向沿第三方向的轴向贯通孔和围绕所述轴向贯通孔的周向封闭的轴孔周壁；

并且，所述芯材单元片为不小于三层的多层片材结构，所述多层片材结构包括用于承受载荷的结构层以及至少一层功能层或至少一层粘结层。

可选地，所述热塑性芯材至少包括沿所述第二方向依次层叠拼接的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片，所述第二芯材单元片分别与所述第一芯材单元片以及所述第三芯材单元片形成热复合连接。

可选地，所述芯材单元片包括依次层叠且通过热复合连接的第一粘结层、中间结构层和第二粘结层。

可选地，所述芯材单元片包括依次层叠且通过热复合连接的第一功能层、中间结构层和第二功能层，其中所述中间结构层、所述第一功能层和所述第二功能层互具相容性。

可选地，所述芯材单元片包括互具相容性且通过热复合连接的所述功能层、所述结构层和所述粘结层。

可选地，所述芯材单元片包括依次层叠的所述结构层、所述粘结层和所述功能层，所述结构层与所述功能层具有对抗性，所述第二芯材单元片的所述结构层与一侧的所述第一芯材单元片的所述结构层形成热复合连接，所述第二芯材单元片的所述功能层与另一侧的所述第三芯材单元片的所述功能层形成热复合连接。

可选地，所述热塑性芯材至少包括沿所述第二方向依次层叠拼接的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片，所述芯材单元片包括依次层叠的所述结构层、所述粘结层和所述功能层，所述结构层与所述功能层具有对抗性；

其中，所述第二芯材单元片的所述结构层与一侧的所述第一芯材单元片的所述功能层抵接相连，所述第二芯材单元片的所述功能层与另一侧的所述第三芯材单元片的所述结构层抵接相连。

可选地，所述第二芯材单元片的所述几何高点与一侧的所述第一芯材单元片的所述几何低点抵接相连，且所述第二芯材单元片的所述几何低点与另一侧的所述第三芯材单元片的所述几何高点抵接相连；

其中，在相邻的所述芯材单元片中，抵接相连的所述几何高点与所述几何低点之间形成弧面接触、尖端接触或平面接触。

可选地，所述结构层的材质包括热塑性聚合物、填料填充的热塑性聚合物、纤维增强的热塑性树脂基复合材料、塑性形变纸张和/或钢塑复合物。

可选地，所述热塑性聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、热塑性聚酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚苯醚、热塑性弹性体、多元共聚热塑性塑料、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮和聚酰亚胺中的一种或其中多种的共混物；

填料填充的所述热塑性聚合物中的填料为蜡、滑石粉、炭黑、白炭黑、高岭土、碳酸钙、硬脂酸、硬脂酸钙、晶须、二氧化钛、氧化铁、颜料、阻燃剂和抗氧剂中的一种或其中多种的组合物；

纤维增强的所述热塑性树脂基复合材料中的纤维为有机纤维、无机纤维、金属纤维、高分子纤维、植物纤维中的一种或多种；或者，纤维增强的所述热塑性树脂基复合材料中的纤维为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、钢丝纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维和麻纤维中的一种或者其中多种的组合物。

可选地，所述结构层的片层厚度不小于0.1mm。

可选地，任意形状的所述轴向贯通孔的外接圆的直径不小于1mm；和/或，任意形状的所述轴向贯通孔的孔轴长与该轴向贯通孔的外接圆的直径之比不大于200。

可选地，所述功能层为阻燃层、抗紫外层、颜色层、阻热或传热层、透磁或阻磁层、防腐层、或隔音层中的一种或者多种功能组合层；和/或，所述功能层的材质包括阻燃填料填充聚合物、抗紫外填料填充聚合物、颜料填料填充聚合物、阻热或传热填料填充聚合物、透磁或阻磁填料填充聚合物、防腐填料填充聚合物、隔音填料填充聚合物中的一种或者多种组合物。

可选地，当所述第三方向为承受压缩载荷方向时，所述热塑性芯材的材料体积利用率不低于60％，优选的，材料体积利用率不低于80％；和/或，在由所述第一方向与所述第二方向定义且与所述热塑性芯材实体相交的任一平面中，平面空隙率不低于40％，进一步的，所述平面空隙率不低于60％。

可选地，所述轴向贯通孔呈正六边形状、菱形状、腰形状或不规则的异型状。

可选地，所述热塑性芯材为长方体形状，所述第一方向与所述第二方向相互垂直且分别为所述热塑性芯材的两个边长方向，所述第二方向垂直于所述芯材单元片的片材表面，所述第三方向为所述热塑性芯材的厚度方向。

此外，本发明还提供了一种包括上述的具有多层复合结构的热塑性芯材的设备。

可选地，所述设备为车辆、建筑、风电设备、矿用设备或航空航天设备。

在本发明中，具有多层复合结构的热塑性芯材包括结构层以及至少一层功能层或至少一层粘结层，能够丰富芯材的功能以使其能够适用在一些有特定功能需求(例如阻燃、防腐等)的使用场景中，从而具有更好的通用性以更广泛地应用至多个领域。此外，热塑性芯材通过多个芯材单元片按特定的规则拼接而成，具有显著区别于现有的圆管蜂窝芯材、半六边形折叠蜂窝芯材的结构和形状，能够在流水线上连续加工生产，从而有效提高芯材的生产效率和降低生产成本，且能够省去吹塑或吸塑环节，因此可增大片材厚度以适于填充结构填料或功能填料，从而大大提高芯材强度和功能多样性。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1a为本发明的具体实施方式中的一种具有多层复合结构的热塑性芯材的立体图，其中的轴向贯通孔为正六边形蜂窝孔；

图1b为图1a中的热塑性芯材的主视图；

图1c为图1a中的热塑性芯材的芯材单元片的立体图；

图1d为图1c中具有一种多层片材结构的芯材单元片的主视图；

图1e为图1d中的芯材单元片的局部放大示意图A-A，以更清晰地展示该芯材单元片的多层片材结构，其中结构层作为中间层，粘结层位于结构层的两侧；

图1f为图1c中具有另一种多层片材结构的芯材单元片的主视图；

图1g为图1f中的芯材单元片的局部放大示意图B-B，以更清晰地展示该芯材单元片的多层片材结构，其中结构层作为中间层，功能层位于结构层的两侧；

图1h为图1c中具有另一种多层片材结构的芯材单元片的主视图；

图1i为图1h中的芯材单元片的局部放大示意图C-C，以更清晰地展示该芯材单元片的多层片材结构，其中功能层、结构层和粘结层依次层叠设置；

图1j为图1c中具有另一种多层片材结构的芯材单元片的主视图；

图1k为图1j中的芯材单元片的局部放大示意图D-D，以更清晰地展示该芯材单元片的多层片材结构，其中结构层、粘结层和功能层依次层叠设置；

图2a至图2d分别展示了本发明的具体实施方式中的另一种具有多层复合结构的热塑性芯材的结构，其中的轴向贯通孔为短的腰形孔，且对接的接触表面形成平面接触；

图3a至图3d分别展示了本发明的具体实施方式中的另一种具有多层复合结构的热塑性芯材的结构，其中的轴向贯通孔为短的腰形孔，且对接的接触表面形成弧面接触；

图4a至图4d分别展示了本发明的具体实施方式中的另一种具有多层复合结构的热塑性芯材的结构，其中的轴向贯通孔为相对长的腰形孔，且对接的接触表面形成平面接触；

图5a至图5d分别展示了本发明的具体实施方式中的另一种具有多层复合结构的热塑性芯材的结构，其中的轴向贯通孔为相对长的腰形孔，且对接的接触表面形成弧面接触；

图6a至图6d分别展示了本发明的具体实施方式中的另一种具有多层复合结构的热塑性芯材的结构，其中的轴向贯通孔为菱形孔，且对接的接触表面形成平面接触；

图7a至图7d分别展示了本发明的具体实施方式中的另一种具有多层复合结构的热塑性芯材的结构，其中的轴向贯通孔为菱形孔，且对接的接触表面形成尖端接触。

附图标记说明：

100 拼接式组合体 101 轴向贯通孔

102 几何高点 103 几何低点

104 几何体 105 第一几何内孔

106 第二几何内孔 107 结构层

108 功能层 109 粘结层

30 芯材单元片

D1 第一方向 D2 第二方向

D3 第三方向 OO' 几何内孔中轴线

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

下面将参考附图并结合示例性实施例来详细说明本发明。

如图1a至图7d所示，本发明提供了一种具有多层复合结构的热塑性芯材，该热塑性芯材包括沿第一方向D1延伸且沿第二方向D2层叠拼接的多个芯材单元片30。其中，至少部分的芯材单元片30的一侧片材表面形成有沿片材长度方向重复呈现的几何高点102且另一侧片材表面形成有沿片材长度方向重复呈现的几何低点103，相邻的芯材单元片30之间通过对位抵接的几何高点102和几何低点103而形成沿第一方向D1依次分布的多个轴孔结构，轴孔结构包括轴向沿第三方向D3的轴向贯通孔101和围绕轴向贯通孔101的周向封闭的轴孔周壁。此外，参照图1e、图1g、图1i、图1k，芯材单元片30为不小于三层的多层片材结构，多层片材结构包括用于承受载荷的结构层107以及至少一层功能层108或至少一层粘结层109。当相邻两层的材质相同时，视为同一层。

在多层片材结构中，任意相邻的两层之间连接的均匀度和致密度会直接影响芯材单元片30的强度，因此应避免在层与层之间形成连接罅隙，否则会使芯材单元片30的载荷能力大打折扣，从而难以保证热塑性芯材的可靠性。因此，任意相邻的两层优选地设置为具有相容性，并通过特定设备热复合成型，从而获得均匀度和致密度高的多层片材结构。需要说明的是，在本发明中，相容性是指多层片材结构中任意相邻的两层能够在加热至特定温度以上时熔融粘接且能够在低于该特定温度时恢复固态并保持稳定粘接，其中，熔融粘接可以是两层均处于熔融状态，也可以一层保持固态而另一层处于熔融状态(此时该两层的熔点不同)。此外，与相容性相对立的是层与层之间的对抗性，即层与层之间不能通过设置特定条件而相互粘接，或者只能在特定条件下相互粘接而不能在恢复固态后保持稳定粘接。因此，在多层片材结构中具有对抗性的两层之间只能通过粘结层109粘接，粘结层109本身具备粘性，能够与结构层107和功能层108紧致、均匀粘接，因而无须限定其是否具有相容性。

当热塑性芯材中的芯材单元片30的个数不少于三个时，热塑性芯材至少包括沿第二方向D2依次层叠拼接的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片。通常情况下，各个芯材单元片30均由具有多层片材结构的同一片材分割加工而成，因此各个芯材单元片30具有一致的分层结构。当然，各个芯材单元片30也可由具有多层片材结构的不同片材分割加工而成，此时各个芯材单元片30的分层结构未必完全一致。另一方面，芯材单元片30的多层片材结构可以是三层或三层以上，但不论具体层数如何，相邻的芯材单元片30之间的连接方式仅需根据相互对接的最外层是否互具相容性而定。换言之，当相邻的芯材单元片30之间用于相互对接的最外层互具相容性时，可采用熔融粘接、涂胶或其他方式连接，但当相邻的芯材单元片30之间用于相互对接的最外层互具对抗性时，则无法采用熔融粘接，而只能采用涂胶或其他方式连接。

基于上述，以下仅以由同一片材分割加工而成且具有三层片材结构的芯材单元片30为例，分别对不同的分层结构下的相邻的芯材单元片30之间的连接方式做详细说明。其中，仅以图1a至图1k的实施例作示例性说明，其他图示的实施例或并未图示示出的实施例可参考该说明中的设计思想而选定相邻的芯材单元片30之间的具体连接方式。

在一些实施例中，第二芯材单元片分别与第一芯材单元片以及第三芯材单元片形成热复合连接，即第二芯材单元片与第一芯材单元片的相互接触的两层以及第二芯材单元片与第三芯材单元片的相互接触的两层均具有相容性。

其中，在图1e所示的实施例中，芯材单元片30为三层片材结构且包括依次层叠且通过热复合连接的第一粘结层、中间结构层和第二粘结层，因此第二芯材单元片能够通过位于外侧的粘结层109分别与第一芯材单元片的外侧的粘结层109以及第三芯材单元片的外侧的粘结层109相互粘接。

在图1g所示的实施例中，芯材单元片30为三层片材结构且包括依次层叠且通过热复合连接的第一功能层、中间结构层和第二功能层，其中，中间结构层、第一功能层和第二功能层互具相容性，第一功能层和第二功能层所实现的功能既可相同也可不同，因此第二芯材单元片能够通过位于外侧的功能层108分别与第一芯材单元片的外侧的功能层108以及第三芯材单元片的外侧的功能层108在加热至特定温度以上时熔融粘接并在冷却后恢复固态以维持稳定连接。

在图1i所示的实施例中，芯材单元片30为三层片材结构且包括互具相容性且通过热复合连接的功能层108、结构层107和粘结层109，在此结构下能够以任意次序层叠排列功能层108、结构层107和粘结层109，而不仅限于图示实施例的排列方式，均能使第二芯材单元片分别与第一芯材单元片以及第三芯材单元片形成热复合连接。

在图1k所示的实施例中，当功能层108和结构层107具有对抗性时，只能将粘结层109设置为中间层，否则功能层108与结构层107之间难以稳定连接，换言之，芯材单元片30包括依次层叠的结构层107、粘结层109和功能层108。为保证第二芯材单元片能够分别与第一芯材单元片以及第三芯材单元片形成热复合连接，只能将第二芯材单元片的结构层107与一侧的第一芯材单元片的结构层107连接，以及将第二芯材单元片的功能层108与另一侧的第三芯材单元片的功能层108连接。否则，当第二芯材单元片的结构层107与一侧的第一芯材单元片的功能层108抵接相连且第二芯材单元片的功能层108与另一侧的第三芯材单元片的结构层107抵接相连时，由于结构层107与功能层108具有对抗性，只能通过在结构层107与功能层108之间涂胶或通过其他方式以保证芯材单元片30之间的稳定连接。

在本发明中，芯材单元片30可通过将平整片材压制成型并分割或通过分割直接挤压出几何型材而获得，而无须采用吹塑或吸塑工艺，因此无壁厚方面的工艺限制。为提高芯材的载荷能力，芯材单元片30中的结构层107的片层厚度应优选设置为不小于0.1mm，且理论上该片层厚度的最大值并无限制，但为了保证芯材轻质化，结构层107的厚度也不宜设置过大，具体取值需视乎实际使用场景而定。

此外，可将任意形状的轴向贯通孔101的外接圆的直径优选设置为不小于1mm；和/或，可将任意形状的轴向贯通孔101的孔轴长与该轴向贯通孔101的外接圆的直径之比优选设置为不大于200，以使得芯材获得更佳的重载轻质效果。

结构层107的材质可包括热塑性聚合物、填料填充的热塑性聚合物、纤维增强的热塑性树脂基复合材料和/或塑性形变纸张、钢塑复合物等等。作为示例，热塑性聚合物可以为聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、热塑性聚酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚苯醚、热塑性弹性体、多元共聚热塑性塑料、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮和聚酰亚胺中的一种或其中多种的共混物。填料填充的热塑性聚合物中，填料可以为有机物、无机物、或者两者均有，具体地，填料可以为蜡、滑石粉、炭黑、白炭黑、高岭土、碳酸钙、硬脂酸、硬脂酸钙、晶须、二氧化钛、氧化铁、颜料、阻燃剂和抗氧剂中的一种或其中多种的组合物。纤维增强的热塑性树脂基复合材料中的纤维可以为有机纤维、无机纤维、金属纤维、高分子纤维、植物纤维中的一种或多种。或者，纤维增强的热塑性树脂基复合材料中的纤维可以为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、钢丝纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维和麻纤维中的一种或者其中多种的组合物。

芯材单元片30中的功能层108可以是阻燃层、抗紫外层、颜色层、阻热或传热层、透磁或阻磁层、抗菌层、或隔音层中的一种或者多种功能组合层，例如，可以是增强型填充材料和/或功能填充材料，其中增强型填充材料可显著增强芯材强度，功能填充材料可以是阻燃材料、防腐材料、隔音材料等，以相应地实现阻燃、防腐、隔音等特定功能，从而使芯材具有更高的通用性以适用于特定的使用场景。具体地，所述功能层108的材质可包括阻燃填料填充聚合物、抗紫外填料填充聚合物、颜料填料填充聚合物、阻热或传热填料填充聚合物、透磁或阻磁填料填充聚合物、抗菌填料填充聚合物、隔音填料填充聚合物中的一种或者多种组合物。

在本发明的至少具有三个芯材单元片30的热塑性芯材中，第二芯材单元片的几何高点102与一侧的第一芯材单元片的几何低点103抵接相连，且第二芯材单元片的几何低点103与另一侧的第三芯材单元片的几何高点102抵接相连。其中，几何高点102和几何低点103可以是面或线，从而使相邻的芯材单元片30之间构成面接触或线接触。例如，在相邻的芯材单元片30中，抵接相连的几何高点102与几何低点103之间可形成弧面接触、尖端接触、平面接触或其他类型接触(如不规则面接触)。

参照附图所示的各实施例，热塑性芯材可形成为外形上呈蜂窝体形状的拼接式组合体100。至少部分的芯材单元片30的片材表面形成有沿第一方向D1依次分布的非闭合的几何体104，该非闭合的几何体104定义为形成在芯材单元片30的片材表面且沿第二方向D2隆起的几何凸起部，几何凸起部内形成有轴向沿第三方向D3贯通且在片材表面呈非闭合状的几何内孔。几何体104可以是形成在片材表面的压制成型结构，此时几何内孔则为压制成型孔，几何内孔在片材表面形成为非闭合孔。其中，几何凸起部包括沿第一方向D1依次交替排布且凸起方向相反的第一几何凸起部和第二几何凸起部。第一几何凸起部和第二几何凸起部的结构形状可相同，也可不同。当芯材单元片30的同一侧片材表面上形成有相邻的两个第一几何凸起部时，另一侧片材表面相应地形成有位于该两个第一几何凸起部之间的第二几何凸起部，并在片材表面上限定第一几何凸起部的最低点为几何低点103且第二几何凸起部的最高点为几何高点102，即几何高点102和几何低点103沿第一方向D1依次交替排布。几何内孔的种类包括形成在第一几何凸起部中的第一几何内孔105和形成在第二几何凸起部中的第二几何内孔106。

在相邻的芯材单元片30中，轴孔结构可通过至少一个第一几何凸起部和至少一个第二几何凸起部拼接而成，此时轴向贯通孔101由至少一个第一几何内孔105和至少一个第二几何内孔106拼接闭合而成。或者，轴孔结构可通过至少一个第一几何凸起部和平整的芯材单元片30拼接而成，平整的芯材单元片30的片材表面上未加工出几何体104，因此片材表面呈平整状，此时轴向贯通孔101由至少一个第一几何内孔105和平整的芯材单元片30拼接闭合而成。又或者，轴孔结构可通过至少一个第二几何凸起部和平整的芯材单元片30拼接而成，此时轴向贯通孔101由至少一个第二几何内孔106和平整的芯材单元片30拼接闭合而成。

需要说明的是，同一个片材单元32上的多个几何体104的形状结构可完全相同、可互不相同、可不完全相同，且组成拼接式组合体100的多个芯材单元片30上的几何体104可相同，也可不同。在附图所示的各个实施例中，构成拼接式组合体100的各个芯材单元片30上的所有几何体104的结构形状均相同。

在附图所示的各个实施例中，将芯材单元片30上的第一几何凸起部视为是从芯材单元片30的片材顶面向下凸出成型，从而在片材底面上相应地形成有向上凸出的第二几何凸起部，且第一几何凸起部和第二几何凸起部的凸起结构形状相同，从而在片材顶面上形成呈非封闭的向上开口状的第一几何内孔105以及在片材底面上形成呈非封闭的向下开口状的第二几何内孔106。在任意相邻的两个芯材单元片30中，第一芯材单元片上的第一几何凸起部与第二芯材单元片上的第一几何凸起部沿第二方向D2错开，以使得第一芯材单元片上的多个第一几何凸起部与第二芯材单元片上的多个第二几何凸起部沿第一方向D1一一对应地抵接相连，也就使得第一芯材单元片上的多个几何低点103与第二芯材单元片上的多个几何高点102沿第一方向D1一一对应地抵接相连。如此，拼接式组合体100中的各个轴孔结构均由一个第一几何凸起部和一个第二几何凸起部拼接而成，各个轴向贯通孔101均由一个第一几何内孔105和一个第二几何内孔106拼接闭合而成。

需要说明的是，当多个芯材单元片30沿第二方向D2层叠排列时，相邻的芯材单元片30在层叠拼接前的摆放位置可相同，也可相反，只要能够拼接成带有沿第一方向D1的依次分布的轴孔结构的拼接式组合体100即可。当芯材单元片30的各个几何体104的形状结构相同且等间隔布置时，若相邻的两个芯材单元片30的摆放方向相同，还需要适当移动调整沿第一方向D1的对齐位置才能拼接成拼接式组合体100。

此外，可将拼接式组合体100设置为长方体形状，第一方向D1与第二方向D2垂直且分别为拼接式组合体100的两个边长方向，第二方向D2垂直于芯材单元片30的片材表面，轴向贯通孔101沿拼接式组合体100的厚度方向贯通，即几何内孔中轴线OO'沿拼接式组合体100的厚度方向。各附图中所示的第一方向D1为拼接式组合体100的长度方向，第二方向D2为拼接式组合体100的宽度方向，第三方向D3为拼接式组合体100的厚度方向，但各方向定位可以互换，本发明不限于此。此外，第一方向D1、第二方向D2与第三方向D3中彼此两两之间也不限于形成直角夹角，例如第三方向D3与第一方向D1或第二方向D2可形成锐角夹角，即几何内孔为相对于第一方向D1和第二方向D2定义的芯材横截面的倾斜孔。

在附图所示的各个实施例中，轴向贯通孔101可呈正六边形状、腰形状、菱形状或不规则的异型状。

如图1a和图1b所示，拼接式组合体100的轴向贯通孔101为正六边形孔。如图2a和图2b所示，拼接式组合体100的轴向贯通孔101为相对短的腰形孔，或称椭圆形孔、跑道孔等等，以下统称腰形孔，此时对接的几何高点102与几何低点103之间形成沿第一方向D1的平面接触。如图3a和图3b所示，拼接式组合体100的轴向贯通孔101也为相对短的腰形孔，但与上一实施例不同的是，此时对接的几何高点102与几何低点103之间形成弧面接触，通常情况下，弧面接触的结合面的面积小于平面接触的结合面的面积。如图4a和图4b所示，拼接式组合体100的轴向贯通孔101为相对于图2a和图2b所示以及图3a和图3b所示的实施例中的轴向贯通孔101更长的腰形孔，此时对接的几何高点102与几何低点103之间形成沿第一方向D1的平面接触。如图5a和图5b所示，拼接式组合体100的轴向贯通孔101也同样为相对长的腰形孔，但上一实施例不同的是，此时对接的几何高点102与几何低点103之间形成弧面接触，通常情况下，弧面接触的结合面的面积小于平面接触的结合面的面积。如图6a和图6b所示，拼接式组合体100的轴向贯通孔101为四边的菱形孔，且对接的几何高点102与几何低点103之间形成沿第一方向D1的平面接触。如图7a和图7b所示，拼接式组合体100的轴向贯通孔101同为四边的菱形孔，但与上一实施例不同的是，此时对接的几何高点102与几何低点103之间形成尖端接触。此外，在一些未有图示示出的实施例中，拼接式组合体100的轴向贯通孔101可设置为不规则的异型孔。

需要说明的是，当相邻的芯材单元片30中包括一个平整的芯材单元片30时，拼接式组合体100的轴向贯通孔101可以是半分正六边形孔、半分腰形孔、半分菱形孔等。此外，芯材单元片30之间的接触部的接触面不限于同类型面相接，也可以是例如平面与弧面的对接等等。在拼接式组合体100中，轴向贯通孔101的形状不限于附图所示的各个形状，也可以是正四边形、圆形等等，在此不再展开细述。

以上结合附图阐述了具有多层复合结构的热塑性芯材，可适用于一些有特定功能需求(例如阻燃、防腐等)的实际场合，通用性高，应用领域广泛。且与现有的圆管蜂窝芯材、半六边形折叠蜂窝芯材等相比，组成结构简单新颖，便于在流水线上连续加工生产，芯材生产效率高、生产成本低，且由于省去吹塑或吸塑环节，可增大片材厚度以填充结构填料或功能填料，从而高强度和功能多样性，尤其适于重载领域等。

为获得符合要求的能够实现轻质重载的热塑性芯材，对于附图所示的实施例中的拼接式组合体100，可通过设置较多的作为减质孔的轴向贯通孔101以实现轻量化。优选地，在拼接式组合体100的由第一方向D1与第二方向D2定义且与拼接式组合体100实体相交的任一平面，即拼接式组合体100的任一横截面平面中，平面空隙率应不低于40％，更优选地，平面空隙率应不低于60％。在拼接式组合体100的上述横截面平面中，所述平面空隙率即各个轴向贯通孔101的孔截面面积总和与所述横截面平面的总平面面积之比。

在轻量化的同时，为实现重载，除了材料选择，还应提高材料体积利用率，即沿载荷受力方向，能够承受载荷的有效部分与整体部分的质量比或体积比。换言之，沿载荷受力方向真实受力部分为承受载荷的有效部分，而垂直于载荷受力方向的材料部分或空洞部分则为承受载荷的无效部分，无效部分的材料体积利用率为0。作为示例，当第三方向D3为承受压缩载荷方向时，拼接式组合体100的材料体积利用率优选设置为不低于60％，更优选地，材料体积利用率不低于80％。

为加工出上述具有多层复合结构的热塑性芯材，本发明提供了该热塑性芯材的三种生产方法。以下结合图1a至图1k所示的具有正六面蜂窝孔形状的轴向贯通孔101的拼接式组合体100为例，来阐述该拼接式组合体100的加工成型过程。

首先需要特别说明的是，在本发明的各种生产方法中，平整片材均可通过热塑材料成型设备的出口持续输出，并且可在水平的流水线作业平台上沿流水线输送方向持续移动输出。为便于理解平整片材、芯材单元片30在加工过程中的不同阶段的定向以及彼此的方位关系，在此定义出绝对坐标系。其中，平整片材平稳输出且不会翻转，因此流水线输送方向、宽边输送方向即平整片材的片材长度方向和片材宽度方向。因此，可考虑以热塑材料成型设备的成型出口或流水线作业平台的起点位置定义绝对坐标系，绝对坐标系包括流水线输送方向、宽边输送方向和流水线平台垂直方向，原点位置设置在热塑材料成型设备的成型出口或流水线作业平台的起点位置，流水线输送方向、宽边输送方向共同限定流水线作业平台的水平平台表面或从所述成型出口水平输出的平整片材的片材表面。

在该热塑性芯材的第一种生产方法中，包括流水线连续作业的以下步骤：

S11、沿流水线输送方向持续输出具有多层片材结构的平整片材，其中多层片材结构不小于三层且包括用于承受载荷的结构层107以及至少一层功能层108或至少一层粘结层109；

S12、将平整片材分割加工成多个芯材单元片30，使得片材长度方向保持沿流水线输送方向且片材宽度方向保持沿宽边输送方向，其中至少部分的芯材单元片30的一侧片材表面形成有沿流水线输送方向重复呈现的几何高点102且另一侧片材表面形成有沿流水线输送方向重复呈现的几何低点103；

S13、将多个芯材单元片30沿宽边输送方向收拢以层叠拼接成热塑性芯材。

具体地，在步骤S11中，可利用多个挤出模具以模内热复合成型方式加工出具有多层片材结构的平整片材。在步骤S12中，可通过辊压等方式在平整片材上直接压型出几何体104。

由此可见，上述生产方法可实现对热塑性芯材的自动化流水线连续生产，生产过程无需人工参与或中断，可极大提高生产效率和通用性、降低生产成本，可实现大规模生产。由于整个生产过程无吸塑或吹塑等环节，可生产出壁厚较大的平整片材，从而可在平整片材中填充结构填料或功能填料以提高强度和丰富功能，且无任何材料浪费，实现节约型生产。此外，由于具有多层复合结构，芯材可适用于一些有特定功能需求(例如阻燃、防腐等)的实际场合，通用性高，应用领域广泛。

此外，本发明还提供了热塑性芯材的第二种生产方法，其包括流水线连续作业的以下步骤：

S21、以模内热复合成型方式加工出具有多层片材结构的平整片材并沿流水线输送方向持续输出，其中多层片材结构不小于三层且包括用于承受载荷的结构层107以及至少一层功能层108或至少一层粘结层109；

S22、将平整片材沿流水线输送方向分割成多个平整带状单元片；

S23、将多个平整带状单元片分别独立加工成沿宽边输送方向依次间隔排布的多个芯材单元片30，其中至少部分的芯材单元片30的一侧片材表面形成有沿流水线输送方向重复呈现的几何高点102且另一侧片材表面形成有沿流水线输送方向重复呈现的几何低点103；

S24、将各个芯材单元片30沿宽边输送方向收拢以层叠拼接成热塑性芯材。

与第一种生产方法相同的是，第二种生产方法同样可实现连续生产作业，从而带来诸多优点，在此不再重复赘述。而有别于第一种生产方法的是，第二种生产方法中先将平整片材分割成多个平整带状单元片，后续可对多个平整带状单元片分别独立加工，因此可方便地加工出形状结构相同或不同的芯材单元片30。换言之，可采用不同加工方式加工出不同的几何单元片或不经加工的平整单元片。即使在同一芯材单元片30上，也可方便地加工出不同类型的几何体104。

再者，本发明还提供了热塑性芯材的第三种生产方法，其包括流水线连续作业的以下步骤：

S31、沿流水线输送方向持续输出具有多层片材结构的几何型材或平整片材，其中多层片材结构不小于三层且包括用于承受载荷的结构层107以及至少一层功能层108或至少一层粘结层109；

S32、将几何型材或平整片材分割加工成多个芯材单元片30，其中将芯材单元片30的片材长度方向限定为沿宽边输送方向，并在至少部分的芯材单元片30的一侧片材表面上加工出沿宽边输送方向重复呈现的几何高点102且另一侧片材表面形成沿宽边输送方向重复呈现的几何低点103；

S33、沿流水线输送方向将各个芯材单元片30层叠拼接成热塑性芯材。

有别于前两种生产方法的是，在第三种生产方法中，芯材单元片30的片材长度方向始终保持沿宽边输送方向，而不是沿流水线输送方向。同样地，第三种生产方法也能实现热塑性芯材的连续生产，可大大提升生产效率和大幅降低生产成本，且不会产生任何材料浪费，从而实现节约型生产。

总而言之，本发明提供了一种可自动化流水线连续生产的具有多层复合结构的热塑性芯材，适用于热塑性三明治复合材料中的夹芯体，解决了传统蜂窝芯材的制造成本高、物料浪费、不可添加功能填料及增强填料的问题，实现了蜂窝芯可填充、低成本等优点以及节约型的生产制造。且复合层结构有利于将芯材应用在一些有特定功能需求(例如阻燃、防腐等)的实际场合，有效提高通用性，大大拓展了热塑性复合材料的应用领域。

具体地，本发明的带有填充材料的较大壁厚的具有多层复合结构的热塑性芯材可应用于对轻质高强要求较高的各个领域中，例如载重越来越大的各种运载车辆中，尤其是重载电力运煤火车，或续航能力不足而需减轻车体的电动物流车等。

此外，本发明还提供了一种设备，该设备采用根据本发明上述的热塑性芯材。具体地，该设备可为铁路车辆、公路车辆、建筑以及风电、矿用及航空航天领域等等领域中的相关设备或装置。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (18)

1.一种具有多层复合结构的热塑性芯材，其特征在于，所述热塑性芯材包括沿第一方向(D1)延伸且沿第二方向(D2)层叠拼接的多个芯材单元片(30)，至少部分的所述芯材单元片(30)的一侧片材表面形成有沿片材长度方向重复呈现的几何高点(102)且另一侧片材表面形成有沿片材长度方向重复呈现的几何低点(103)；

其中，相邻的所述芯材单元片(30)之间通过对位抵接的所述几何高点(102)和所述几何低点(103)而形成沿所述第一方向(D1)依次分布的多个轴孔结构，所述轴孔结构包括轴向沿第三方向(D3)的轴向贯通孔(101)和围绕所述轴向贯通孔(101)的周向封闭的轴孔周壁；

并且，所述芯材单元片(30)为不小于三层的多层片材结构，所述多层片材结构包括用于承受载荷的结构层(107)以及至少一层功能层(108)或至少一层粘结层(109)。

2.根据权利要求1所述的具有多层复合结构的热塑性芯材，其特征在于，所述热塑性芯材至少包括沿所述第二方向(D2)依次层叠拼接的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片，所述第二芯材单元片分别与所述第一芯材单元片以及所述第三芯材单元片形成热复合连接。

3.根据权利要求2所述的具有多层复合结构的热塑性芯材，其特征在于，所述芯材单元片(30)包括依次层叠且通过热复合连接的第一粘结层、中间结构层和第二粘结层。

4.根据权利要求2所述的具有多层复合结构的热塑性芯材，其特征在于，所述芯材单元片(30)包括依次层叠且通过热复合连接的第一功能层、中间结构层和第二功能层，其中所述中间结构层、所述第一功能层和所述第二功能层互具相容性。

5.根据权利要求2所述的具有多层复合结构的热塑性芯材，其特征在于，所述芯材单元片(30)包括互具相容性且通过热复合连接的所述功能层(108)、所述结构层(107)和所述粘结层(109)。

6.根据权利要求2所述的具有多层复合结构的热塑性芯材，其特征在于，所述芯材单元片(30)包括依次层叠的所述结构层(107)、所述粘结层(109)和所述功能层(108)，所述结构层(107)与所述功能层(108)具有对抗性，所述第二芯材单元片的所述结构层(107)与一侧的所述第一芯材单元片的所述结构层(107)形成热复合连接，所述第二芯材单元片的所述功能层(108)与另一侧的所述第三芯材单元片的所述功能层(108)形成热复合连接。

7.根据权利要求1所述的具有多层复合结构的热塑性芯材，其特征在于，所述热塑性芯材至少包括沿所述第二方向(D2)依次层叠拼接的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片，所述芯材单元片(30)包括依次层叠的所述结构层(107)、所述粘结层(109)和所述功能层(108)，所述结构层(107)与所述功能层(108)具有对抗性；

其中，所述第二芯材单元片的所述结构层(107)与一侧的所述第一芯材单元片的所述功能层(108)抵接相连，所述第二芯材单元片的所述功能层(108)与另一侧的所述第三芯材单元片的所述结构层(107)抵接相连。

8.根据权利要求2～7中任意一项所述的具有多层复合结构的热塑性芯材，其特征在于，所述第二芯材单元片的所述几何高点(102)与一侧的所述第一芯材单元片的所述几何低点(103)抵接相连，且所述第二芯材单元片的所述几何低点(103)与另一侧的所述第三芯材单元片的所述几何高点(102)抵接相连；

其中，在相邻的所述芯材单元片(30)中，抵接相连的所述几何高点与所述几何低点之间形成弧面接触、尖端接触或平面接触。

9.根据权利要求1所述的具有多层复合结构的热塑性芯材，其特征在于，所述结构层(107)的材质包括热塑性聚合物、填料填充的热塑性聚合物、纤维增强的热塑性树脂基复合材料、塑性形变纸张和/或钢塑复合物。

10.根据权利要求9所述的具有多层复合结构的热塑性芯材，其特征在于，所述热塑性聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、热塑性聚酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚苯醚、热塑性弹性体、多元共聚热塑性塑料、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮和聚酰亚胺中的一种或其中多种的共混物；

填料填充的所述热塑性聚合物中的填料为蜡、滑石粉、炭黑、白炭黑、高岭土、碳酸钙、硬脂酸、硬脂酸钙、晶须、二氧化钛、氧化铁、颜料、阻燃剂和抗氧剂中的一种或其中多种的组合物；

纤维增强的所述热塑性树脂基复合材料中的纤维为有机纤维、无机纤维、金属纤维、高分子纤维、植物纤维中的一种或多种；或者，纤维增强的所述热塑性树脂基复合材料中的纤维为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、钢丝纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维和麻纤维中的一种或者其中多种的组合物。

11.根据权利要求1所述的具有多层复合结构的热塑性芯材，其特征在于，所述结构层(107)的片层厚度不小于0.1mm。

12.根据权利要求11所述的具有多层复合结构的热塑性芯材，其特征在于，任意形状的所述轴向贯通孔(101)的外接圆的直径不小于1mm；和/或，任意形状的所述轴向贯通孔(101)的孔轴长与该轴向贯通孔(101)的外接圆的直径之比不大于200。

13.根据权利要求1所述的具有多层复合结构的热塑性芯材，其特征在于，所述功能层(108)为阻燃层、抗紫外层、颜色层、阻热或传热层、透磁或阻磁层、抗菌层、或隔音层中的一种或者多种功能组合层；和/或，所述功能层(108)的材质包括阻燃填料填充聚合物、抗紫外填料填充聚合物、颜料填料填充聚合物、阻热或传热填料填充聚合物、透磁或阻磁填料填充聚合物、抗菌填料填充聚合物、隔音填料填充聚合物中的一种或者多种组合物。

14.根据权利要求1所述的具有多层复合结构的热塑性芯材，其特征在于，当所述第三方向(D3)为承受压缩载荷方向时，所述热塑性芯材的材料体积利用率不低于60％，优选的，材料体积利用率不低于80％；和/或，在由所述第一方向(D1)与所述第二方向(D2)定义且与所述热塑性芯材实体相交的任一平面中，平面空隙率不低于40％，进一步的，所述平面空隙率不低于60％。

15.根据权利要求1所述的具有多层复合结构的热塑性芯材，其特征在于，所述轴向贯通孔(101)呈正六边形状、菱形状、腰形状或不规则的异型状。

16.根据权利要求1所述的具有多层复合结构的热塑性芯材，其特征在于，所述热塑性芯材为长方体形状，所述第一方向(D1)与所述第二方向(D2)相互垂直且分别为所述热塑性芯材的两个边长方向，所述第二方向(D2)垂直于所述芯材单元片(30)的片材表面，所述第三方向(D3)为所述热塑性芯材的厚度方向。

17.一种包括根据权利要求1～16中任意一项所述的具有多层复合结构的热塑性芯材的设备。

18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述设备为车辆、建筑、风电设备、矿用设备或航空航天设备。