CN111873558A - 一种增强版芳纶蜂窝三明治板材 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，由上蒙皮层、中间芳纶蜂窝芯层和下蒙皮层组成，相邻两层通过胶粘剂胶接；上蒙皮和下蒙皮都具有三层复合结构，且中间层都为芳纶浆粕；芳纶蜂窝芯的上下边缘预留凹凸状的边角料；中间芳纶蜂窝芯中各孔格的壁厚相同，或者沿某个方向，中间孔格的壁厚较大，两边孔格的壁厚较小；芳纶蜂窝芯的蜂窝内部中空，或者放置有材质为芳纶的中空柱。本发明通过在芳纶蜂窝芯的上下边缘预留凹凸状的边角料，增大了其与上下蒙皮的接触面积，进而提高了胶接强度、结合强度和抗撕裂强度，使得芳纶蜂窝三明治板材不容易发生分层；同时，通过控制上蒙皮和下蒙皮的中间层为芳纶浆粕，提高了芳纶蜂窝三明治板材的抗冲击性能。

Description

一种增强版芳纶蜂窝三明治板材
技术领域
本发明属于复合板材技术领域，涉及一种增强版芳纶蜂窝三明治板材。
背景技术
碳纤维复合是一种力学性能优异的新材料，质轻高强的特点使得碳纤维复合材料在汽车、高铁和飞机等领域得到大量的应用，芳纶蜂窝芯材作为一种仿生材料在追求轻量化的现代更是得到青睐。碳纤维芳纶蜂窝板材采用碳纤维复合板作为蒙皮，芳纶蜂窝作为芯材通过胶粘剂胶接而成。但现有碳纤维蜂窝板材的抗冲击性能不佳，在实际应用中经常出现撕裂分层的现象，重新维修带来的成本使得碳纤维蜂窝板材的使用成本更高。
考虑到碳纤维芳纶蜂窝的分层原因主要是因为碳纤维复合板和芳纶蜂窝芯材的胶接强度不够；抗冲击性能不佳的主要原因是蜂窝芯的强度不够，因此本发明重点针对分层和抗冲击性不佳进行材料结构设计。
中国专利公报公布了一种申请号为：CN110978650A，名称为新型蜂窝结构及其制作方法的发明专利，解决了蜂窝结构无法满足沿孔格的某一径向实现变强度要求的问题，但是这种蜂窝结构在和上下蒙皮胶接时因为和蒙皮胶接接触面积小，其胶接强度低而经常导致蜂窝板材和芯材在使用过程中分层的现象。
中国专利公报公布了一种申请号为：CN110845755A，名称为发泡环氧胶膜、芳纶蜂窝夹芯板及其制备方法的发明专利，提供了一种发泡环氧胶膜来对蜂窝结构进行封边处理提高蜂窝板强度，但是在承受弯曲载荷时面板是主要承受拉伸和压缩载荷的部位，专利中提到的蜂窝板材的承受弯曲载荷的能力不强，抗冲击性能差。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种增强版芳纶蜂窝三明治板材。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，由上蒙皮层、中间芳纶蜂窝芯层和下蒙皮层组成，相邻两层通过胶粘剂胶接；上蒙皮和下蒙皮都具有三层复合结构，且中间层都为芳纶浆粕；芳纶蜂窝芯的上下边缘预留凹凸状的边角料。
本发明的芳纶蜂窝芯的上下边缘预留凹凸状的边角料，增大了其与上下蒙皮的接触面积，进而提高了胶接强度、结合强度和抗撕裂强度，使得由上蒙皮层、中间芳纶蜂窝芯层和下蒙皮层组成的三明治板材不容易发生分层。加工过程中，在将上下蒙皮与中间芳纶蜂窝芯胶接前，可将蜂窝芯预留的凹凸状的边角料铺平在蜂窝芯的上下表面使成为一个平面，以便其充分发挥增大接触面积的作用。目前针对蜂窝结构中蜂窝芯和上下板材的连接通常采用提高粘结剂粘结性的技术手段来提高两者之间的结合力，但提高粘结剂粘结性的手段毕竟单一且有限，本发明采用预留凹凸状的边角料提高胶接接触面积的途径实现采用同样粘结剂而达到更好的粘结效果，同样这种技术手段不单单可用于本发明介绍的芳纶蜂窝板材的胶接，对于其他材质的蜂窝板胶接同样适用。
本发明中上蒙皮和下蒙皮的中间层为芳纶浆粕，在承受弯曲载荷时，上蒙皮和下蒙皮主要承受拉伸和压缩载荷，而芳纶浆粕具有芳纶纤维优秀的性能，如高模量、高强度以及优良的热稳定性能、化学稳定性、尺寸稳定性和韧性，因而在上蒙皮和下蒙皮中间加入芳纶浆粕可提高上蒙皮和下蒙皮的抗冲击性能，进而提高芳纶蜂窝三明治板材的抗冲击性能。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，上蒙皮层、中间芳纶蜂窝芯层和下蒙皮层的周边采用封边型材密封。
如上所述的一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，增强版芳纶蜂窝三明治板材的相邻两层通过高压釜胶接连接或热压胶接连接；上蒙皮层的厚度范围为0.5～0.9mm，中间芳纶蜂窝芯层的厚度范围为6～10mm，下蒙皮层的厚度范围为0.5～0.9mm；中间芳纶蜂窝芯中各孔格的壁厚相同，或者沿某个方向，中间孔格的壁厚较大，两边孔格的壁厚较小，即针对受外力不同采用不同壁厚设计，芳纶蜂窝结构在承受弯曲载荷时芯子主要起到传递剪切力的作用，而厚壁蜂窝芯具有更大的剪切强度和剪切刚度，因此在受力大的部位选用厚壁蜂窝芯效果更佳，蜂窝板在实际应用时不同部位的受力并不相同，例如在蜂窝板作为地板时某些区域经常集中承受较大的力，而有些部位受力较小，而现有蜂窝结构都采用均一的蜂窝芯壁厚铺设，没有充分考虑具体受力情况问题，中间厚两边薄的可选实施方式可应用于中间受力较大，两边受力较小的实际应用场地芳纶蜂窝的铺设，可实现在相同的质量基础上在实际应用中获得更高的强度和使用寿命。
如上所述的一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，上蒙皮和下蒙皮的上下两层为碳纤维/PEEK树脂面板，碳纤维/PEEK树脂面板的铺层顺序为[0/+45/-45/90]，使用热压罐法固化成型，固化温度为100～140℃，时间为1～3h，压力为0.2～0.5MPa，全程抽真空，真空度为-0.3～-0.1MPa。
如上所述的一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，上蒙皮或下蒙皮的相邻两层通过高压釜胶接连接或热压胶接连接；上蒙皮或下蒙皮的上层的厚度范围为0.2～0.4mm，中间层的厚度范围为0.1～0.2mm，下层的厚度范围为0.2～0.4mm。
如上所述的一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，芳纶蜂窝芯的材料采用Nomex芳纶纸蜂窝，这种材料的分子结构特别稳定，强度高已广泛应用于航空航天和高铁等特殊性能要求的领域；芳纶蜂窝芯的蜂窝内部中空，或者放置有材质为芳纶的中空柱，中空柱为中空圆柱、中空椭圆柱和中空三角柱中的一种以上，中空柱可增加蜂窝芯结构的复杂性，提高蜂窝芯单元的密度，高密度下蜂窝芯的强度更高，抗冲击性增强。
如上所述的一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，边角料的形状为矩形，长度等于其所连接的芳纶蜂窝芯的孔格的边的长度，宽度为0.1～0.5mm，宽度在0.1～0.5mm之间胶粘效果已能够达到相同冲击下减少分层现象20％的效果。
如上所述的一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，芳纶蜂窝芯的孔格的截面呈六边形、菱形、矩形和三角形中的至少一种。
如上所述的一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，增强版芳纶蜂窝三明治板材相对于普通的芳纶蜂窝三明治板材压缩强度提高15％～30％，平面拉伸强度提高20％～36％。
本发明的上下边缘预留凹凸状的边角料的芳纶蜂窝芯可由现有技术制得，举例说明如下：
孔格的截面呈正六边形且蜂窝内部中空的芳纶蜂窝芯的制备步骤如下：
(1)将芳纶布作为孔格边长的两侧采用机器裁剪成凹凸相间分布，边角料长度等于其所连接的芳纶蜂窝芯的孔格的边的长度a，宽度为0.1～0.5mm；
(2)将芳纶布、热熔胶膜和聚四氟乙烯板分别按照各自的设定尺寸剪裁，其中，芳纶布的长度为蜂窝格孔边长a的整数倍，热熔胶膜的长度为蜂窝格孔边长a，聚四氟乙烯板的长度为蜂窝格孔边长a的三倍，即3a；芳纶布、热熔胶膜和聚四氟乙烯板的高度相等，均为蜂窝芯材的高度；
(3)将热熔胶膜和聚四氟乙烯板依次间隔排列在第一层芳纶布和第二层芳纶布之间，四者在宽度方向上对齐，且通过铁熨斗用热熔胶膜将第一层芳纶布和第二层芳纶布热压粘接；
(4)在与第二层芳纶布的初始位置相隔设定距离2a处设置第三层芳纶布，并且将热熔胶膜和聚四氟乙烯板依次间隔排列在第二层芳纶布和第三层芳纶布之间，四者在宽度方向上对齐，并通过热熔胶膜将第三层芳纶布和第二层芳纶布热压粘接；
(5)按照前述方法，直至将第n层芳纶布热压粘接；
(6)将各层芳纶布之间的聚四氟乙烯板取出，并将芳纶布层进行蜂窝横向拉伸，形成截面为六边形的芳纶蜂窝芯，用聚酰胺酸溶液对其浸胶处理，放入130℃烘箱中干燥后即可得到格孔边长为a的芳纶蜂窝芯。
有益效果：
(1)本发明的上蒙皮和下蒙皮采用三层结构，中间层铺设芳纶浆粕提高了蜂窝板的抗冲击性能；
(2)本发明在芳纶蜂窝芯的上下边缘预留凹凸状的边角料来增大粘结面积，进而增强了上蒙皮和下蒙皮与芳纶蜂窝芯的粘合强度，避免了分层现象；
(3)本发明的芳纶蜂窝芯的孔格的截面呈六边形、菱形、矩形和三角形中的至少一种；
(4)本发明在芳纶蜂窝芯的蜂窝中放入中空芳纶圆柱进一步提升了板材的抗冲击性能；
(5)本发明针对蜂窝板使用场景的不同，不同受力区域采用不同壁厚的蜂窝芯材，常见的设计为中间采用壁厚的蜂窝芯材两边采用较薄的壁厚，但是不同位置不同壁厚的方式不限于这一种，其他位置的设计针对具体的使用情况而定，都在本发明的保护范围之内。
附图说明
图1和图2是本发明的增强版芳纶蜂窝三明治板材的整体简化图；
图3是本发明的增强版芳纶蜂窝三明治板材蜂窝芯单元的立体结构示意图；
图4是本发明的增强版芳纶蜂窝三明治板材蜂窝芯制备工艺图；
图5和图6是本发明的增强版芳纶蜂窝三明治板材蜂窝芯的结构示意图；
图7是组合蜂窝芯的立体结构示意图；
其中，1-上蒙皮层，2-中间芳纶蜂窝芯层，3-下蒙皮层，4-上层，5-中间层，6-下层，7-薄壁蜂窝芯，8-厚壁蜂窝芯，9-边角料，10-组合蜂窝芯。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，如图1和图2所示，由上蒙皮层1、中间芳纶蜂窝芯层2和下蒙皮层3组成，相邻两层通过胶粘剂胶接，具体是通过高压釜胶接连接或热压胶接连接，上蒙皮层1、中间芳纶蜂窝芯层2和下蒙皮层3的周边采用封边型材密封；
上蒙皮层1的厚度范围为0.5～0.9mm，中间芳纶蜂窝芯层2的厚度范围为6～10mm，下蒙皮层3的厚度范围为0.5～0.9mm；中间芳纶蜂窝芯中各孔格的壁厚相同(如图1所示)，或者沿某个方向，中间孔格的壁厚较大，两边孔格的壁厚较小(如图2所示，中间芳纶蜂窝芯层2一部分为薄壁蜂窝芯7，另一部分为厚壁蜂窝芯8)；
上蒙皮和下蒙皮都具有三层复合结构，上层4和下层6为碳纤维/PEEK树脂面板，碳纤维/PEEK树脂面板的铺层顺序为[0/+45/-45/90]，使用热压罐法固化成型，固化温度为100～140℃，时间为1～3h，压力为0.2～0.5MPa，全程抽真空，真空度为-0.3～-0.1MPa，中间层5为芳纶浆粕，相邻两层通过高压釜胶接连接或热压胶接连接；
上蒙皮或下蒙皮的上层4的厚度范围为0.2～0.4mm，中间层5的厚度范围为0.1～0.2mm，下层6的厚度范围为0.2～0.4mm；
如图3、图5和图6所示，芳纶蜂窝芯的上下边缘预留凹凸状的边角料9，边角料9的形状为矩形，长度等于其所连接的芳纶蜂窝芯的孔格的边的长度，宽度为0.1～0.5mm，芳纶蜂窝芯的孔格的截面呈六边形、菱形、矩形和三角形中的至少一种；芳纶蜂窝芯的材料采用Nomex芳纶纸蜂窝；芳纶蜂窝芯的蜂窝内部中空，或者如图7所示，放置有材质为芳纶的中空柱(即组合蜂窝芯10)，中空柱为中空圆柱、中空椭圆柱和中空三角柱中的一种以上；
本发明的上下边缘预留凹凸状的边角料的芳纶蜂窝芯可由现有技术制得，举例说明如下：
孔格的截面呈正六边形且蜂窝内部中空的芳纶蜂窝芯的制备步骤如图4所示，具体如下：
(1)将芳纶布作为孔格边长的两侧采用机器裁剪成凹凸相间分布，边角料长度等于其所连接的芳纶蜂窝芯的孔格的边的长度a，宽度为0.1～0.5mm；
(2)将芳纶布、热熔胶膜和聚四氟乙烯板分别按照各自的设定尺寸剪裁，其中，芳纶布的长度为蜂窝格孔边长a的整数倍，热熔胶膜的长度为蜂窝格孔边长a，聚四氟乙烯板的长度为蜂窝格孔边长a的三倍，即3a；芳纶布、热熔胶膜和聚四氟乙烯板的高度相等，均为蜂窝芯材的高度；
(3)将热熔胶膜和聚四氟乙烯板依次间隔排列在第一层芳纶布和第二层芳纶布之间，四者在宽度方向上对齐，且通过铁熨斗用热熔胶膜将第一层芳纶布和第二层芳纶布热压粘接；
(4)在与第二层芳纶布的初始位置相隔设定距离2a处设置第三层芳纶布，并且将热熔胶膜和聚四氟乙烯板依次间隔排列在第二层芳纶布和第三层芳纶布之间，四者在宽度方向上对齐，并通过热熔胶膜将第三层芳纶布和第二层芳纶布热压粘接；
(5)按照前述方法，直至将第n层芳纶布热压粘接；
(6)将各层芳纶布之间的聚四氟乙烯板取出，并将芳纶布层进行蜂窝横向拉伸，形成截面为六边形的芳纶蜂窝芯，用聚酰胺酸溶液对其浸胶处理，放入130℃烘箱中干燥后即可得到格孔边长为a的芳纶蜂窝芯。
实施例1
一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，由上蒙皮层、中间芳纶蜂窝芯层和下蒙皮层组成，相邻两层通过胶粘剂胶接，具体是通过热压胶接连接，上蒙皮层、中间芳纶蜂窝芯层和下蒙皮层的周边采用封边型材密封；
上蒙皮层的厚度为0.9mm，中间芳纶蜂窝芯层的厚度为10mm，下蒙皮层的厚度为0.9mm；中间芳纶蜂窝芯中各孔格的壁厚相同，都为0.18mm；
上蒙皮和下蒙皮都具有三层复合结构，上层和下层为碳纤维/PEEK树脂面板，碳纤维/PEEK树脂面板的铺层顺序为[0/+45/-45/90]，使用热压罐法固化成型，固化温度为100℃，时间为1h，压力为0.2MPa，全程抽真空，真空度为-0.3MPa，中间层为芳纶浆粕，相邻两层通过高压釜胶接连接；
上蒙皮或下蒙皮的上层的厚度为0.4mm，中间层的厚度范围为0.1mm，下层的厚度范围为0.4mm；
芳纶蜂窝芯的上下边缘预留凹凸状的边角料，边角料的形状为矩形，长度等于其所连接的芳纶蜂窝芯的孔格的边的长度，宽度为0.3mm，芳纶蜂窝芯的孔格的截面呈六边形；芳纶蜂窝芯的材料采用Nomex芳纶纸蜂窝；芳纶蜂窝芯的蜂窝内部中空。
测试表明，增强版芳纶蜂窝三明治板材的平面拉伸强度为5.6MPa。
对比例1
一种芳纶蜂窝三明治板材，基本同实施例1，不同之处仅在于芳纶蜂窝芯的上下边缘未预留凹凸状的边角料。
测试表明，芳纶蜂窝三明治板材的平面拉伸强度为4.1MPa，压缩强度为2.2MPa，在3J能量冲击下最大接触力为720N。
将实施例1与对比例1对比可以看出，在芳纶蜂窝芯的上下边缘预留凹凸状的边角料能够显著提升板材的平面拉伸强度，提升幅度为36％。
对比例2
一种芳纶蜂窝三明治板材，基本同对比例1，不同之处仅在于芳纶蜂窝芯的蜂窝内部放置有材质为芳纶的中空柱，中空柱为中空圆柱，高度为10mm。
测试表明，芳纶蜂窝三明治板材的压缩强度为2.8MPa。
将对比例2与对比例1对比可以看出，在芳纶蜂窝芯的蜂窝内部放置中空柱能够显著提升板材的压缩强度，提升幅度为27％。
对比例3
一种芳纶蜂窝三明治板材，基本同对比例1，不同之处仅在于上蒙皮和下蒙皮都不含有中间层，上蒙皮或下蒙皮的上层的厚度为0.5mm，下层的厚度范围为0.4mm。
测试表明，芳纶蜂窝三明治板材在3J能量冲击下最大接触力为610N。
将对比例3与对比例1对比可以看出，在上下蒙皮中加入芳纶浆粕能够显著提升板材的抗冲击强度，提升幅度为18％。
对比例4
一种芳纶蜂窝三明治板材，基本同对比例1，不同之处仅在于中间芳纶蜂窝芯沿长度方向，中间孔格的壁厚较大，两边孔格的壁厚较小，中间芳纶蜂窝芯的中间孔格的壁厚为0.25mm，两边孔格的壁厚为0.18mm。
测试表明，芳纶蜂窝三明治板材的压缩强度为2.6MPa。
将对比例4与对比例1对比可以看出，壁厚不匀设计能够显著提升板材的压缩强度，提升幅度为18％。

Claims (8)

1.一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，其特征在于，由上蒙皮层、中间芳纶蜂窝芯层和下蒙皮层组成，相邻两层通过胶粘剂胶接；上蒙皮和下蒙皮都具有三层复合结构，且中间层都为芳纶浆粕；芳纶蜂窝芯的上下边缘预留凹凸状的边角料。
2.根据权利要求1所述的一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，其特征在于，上蒙皮层、中间芳纶蜂窝芯层和下蒙皮层的周边采用封边型材密封。
3.根据权利要求1所述的一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，其特征在于，增强版芳纶蜂窝三明治板材的相邻两层通过高压釜胶接连接或热压胶接连接；上蒙皮层的厚度范围为0.5～0.9mm，中间芳纶蜂窝芯层的厚度范围为6～10mm，下蒙皮层的厚度范围为0.5～0.9mm；中间芳纶蜂窝芯中各孔格的壁厚相同，或者沿某个方向，中间孔格的壁厚较大，两边孔格的壁厚较小。
4.根据权利要求1所述的一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，其特征在于，上蒙皮和下蒙皮的上下两层为碳纤维/PEEK树脂面板，碳纤维/PEEK树脂面板的铺层顺序为[0/+45/-45/90]，使用热压罐法固化成型，固化温度为100～140℃，时间为1～3h，压力为0.2～0.5MPa，全程抽真空，真空度为-0.3～-0.1MPa。
5.根据权利要求4所述的一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，其特征在于，上蒙皮或下蒙皮的相邻两层通过高压釜胶接连接或热压胶接连接；上蒙皮或下蒙皮的上层的厚度范围为0.2～0.4mm，中间层的厚度范围为0.1～0.2mm，下层的厚度范围为0.2～0.4mm。
6.根据权利要求1所述的一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，其特征在于，芳纶蜂窝芯的材料采用Nomex芳纶纸蜂窝；芳纶蜂窝芯的蜂窝内部中空，或者放置有材质为芳纶的中空柱，中空柱为中空圆柱、中空椭圆柱和中空三角柱中的一种以上。
7.根据权利要求1所述的一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，其特征在于，边角料的形状为矩形，长度等于其所连接的芳纶蜂窝芯的孔格的边的长度，宽度为0.1～0.5mm。
8.根据权利要求7所述的一种增强版芳纶蜂窝三明治板材，其特征在于，芳纶蜂窝芯的孔格的截面呈六边形、菱形、矩形和三角形中的至少一种。
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