CN112223874A - 由多微孔材料制造连续三维加强结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种使用基体材料制备三明治夹芯结构的复合材料中的芯材的方法，所述基体材料是多微孔材料形成的板材，所述方法包括：通过去除材料的方式在所述基体材料上形成多个上下贯通的材料分隔带，所述多个材料分隔带将所述基体材料划分成多个材料微单元，所述多个材料微单元之间由所述材料分隔带划分但仍互相连接。本发明还提供通过上述方法制备的芯材。

Description

由多微孔材料制造连续三维加强结构的方法
发明领域
本发明涉及使用多微孔材料(包括多孔发泡材料，例如多孔发泡高分子材料)制造连续三维加强结构的方法。本发明还涉及使用通过本发明的方法制造的三维加强结构制造的三明治夹芯结构的复合材料，其中所述加强结构可以用作三明治夹芯结构中的芯材。
背景技术
夹芯结构的复合材料通过在两层面板中加入轻质的芯材制备。夹芯结构能够有效地优化结构的受力状态，其主要原理是增加结构的截面惯性矩，将弯曲应力转化为拉伸应力。夹芯结构由轻质的芯材和覆盖面板组成。通过将芯材和覆盖面板粘合起来，载荷可以进行传递和转化。
为了将表面的覆盖面板使用粘合剂或树脂牢固的结合起来，在基体材料(即，芯材)上加工出贯通上下面的材料分隔带，这些材料分隔带将基体材料分割为若干个连续的形状统一的材料微单元(通常为蜂窝状六边形结构或连续的矩形结构)，树脂或粘合剂填充材料分隔带，将位于基体材料上下表面的原本独立的复合材料面板连接起来，形成了三维空间的加强结构，这样，上下表面的面板与贯通芯材的树脂形成了三维立体结构，使得载荷在三维方向上有效的传递。蜂窝状六边形结构(或连续的矩形结构)能够保证载荷均匀的向连接的材料微单元传递，而不存在载荷集中的情况。
但是，如何精确并且高效率的制造出材料分隔带是实现这个增强结构的关键，现有的一些方法能够实现这个目的，但是效率很低且成本较高。另外，由于材料分隔带的结构狭窄，粘合剂与树脂如何流过并且充满材料分隔带，同时还能够不对材料微单元的结构形成破坏，也是需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种连续三维加强结构及其制备方法，以及利用所述连续三维加强结构制备的三明治夹芯结构。
在一个方面，在本发明中，材料分隔带将基体材料分割为若干个 (优选连续的形状统一的)材料微单元，所述材料微单元可以具有任何形状，优选地，所述材料微单元为蜂窝状六边形结构或连续的矩形结构。这些微单元的直边由材料分割带划分，但是仍然通过顶角保持互相连接。优选地，如果材料微单元为六边形或者矩形，芯材(材料微单元)通过六边形或矩形的顶角连接，仍然保持整体连续，更加充分加强了夹芯结构的完整性。优选的，材料单元与材料分隔带应当规则的分布于基体材料，每个材料微单元与材料分隔带可以具有不同或相同的几何尺寸，并且优选地，具有相同的几何尺寸。从俯视图中看，材料分隔带可以例如是长方形，材料单元可以例如是六边形(或者矩形)。
在一个方面，在本发明中，材料分隔带可以是批量连续生产的。在这种情况下，基体材料可以是板材，所述板材可具有一定的刚性，也可以是柔性材料。基体材料最好是多微孔材料或多微孔发泡材料 (包括高分子材料)，也可以是具有良好加工性能的其他材料，包括但不仅限于PUR(聚氨脂)泡沫，PP(聚丙乙烯)泡沫，PE(聚乙烯)泡沫，PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)泡沫，PS(聚苯乙烯)泡沫，PPSU(聚亚苯基砜树脂)泡沫，PMI(聚甲基丙烯酰亚胺)泡沫，PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)泡沫，轻木(Balsa)。优选地，基体材料的厚度可以例如为3mm至30mm(或者经过工艺试验验证的其他厚度)。
在一个方面，在本发明中，树脂或粘合剂填充上下贯通的材料分隔带，将位于基体材料上下面的原本独立的两个面板连接起来，形成三维空间的加强结构。这些材料分隔带成为整个加强结构中的网状通道，粘合剂或树脂(包括预浸料中的树脂)可以在通过这些通道流动，这尤其适用于树脂注射方法。树脂可以施加压力注入加强结构。
与现有类似技术相比，本发明不仅提高了加强结构的强度，还简化了制造工艺。现有的类似技术中，材料单元需要经过刀具组合，将相邻几个材料微单元的顶角以去除材料的方式加工出来，材料微单元之间通过边线连接，为了加工顶角区域，需要将几个刀具组合起来，刀具互相直接紧密配合，加工出一个六边形材料微单元，需要12个刀具。而本发明中，只需要将材料微单元的边线通过材料去除的方式加工出来，材料微单元的顶角材料保留，相邻材料的微单元通过顶角连接，而加工边线区域，只需要采用简单的一个截面为矩形的刀具即可。这样，只需要6个刀具即可加工出一个六边形材料微单元。同时，由于顶角是应力集中且几何形状复杂的区域，保证这一区域材料的完整性，可以避免加工缺陷，加强材料微单元之间的连接强度，避免加强结构在服役过程中，由于局部芯材失效引起的缺陷。
在一个方面，本发明提供以下各项：
1.一种使用基体材料制备三明治夹芯结构的复合材料中的芯材的方法，所述基体材料是多微孔材料形成的板材，所述方法包括：通过去除材料的方式在所述基体材料上形成多个上下贯通的材料分隔带，所述多个材料分隔带分布(优选均匀分布)在整个所述基体材料上并且将所述基体材料划分成多个材料微单元，所述多个材料微单元之间由所述材料分隔带划分但仍互相连接，所述材料微单元可以具有相同或不同的几何形状(优选具有相同的几何形状)，并且分布(优选均匀分布)在整个所述基体材料上。
2.根据1所述的方法，其中所述材料分隔带在所述材料微单元的直边上形成，并且相邻的所述材料微单元通过其顶角保持互相连接。
3.根据1所述的方法，其中所述多个材料微单元呈蜂窝状六边形或连续的矩形。
4.根据1所述的方法，其中所述多微孔材料是多微孔发泡材料。
5.根据1所述的方法，其中所述多微孔材料选自：聚氨脂泡沫，聚丙乙烯泡沫，聚乙烯泡沫，聚对苯二甲酸乙二醇酯泡沫，聚苯乙烯泡沫，聚亚苯基砜树脂泡沫，聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，聚甲基丙烯酸甲酯泡沫和轻木。
6.通过根据前述中任一项所述的方法制备的三明治夹芯结构的复合材料中的芯材。
7.一种用于三明治夹芯结构的复合材料中的芯材，所述芯材由基体材料制成，所述基体材料是多微孔材料形成的板材，所述基体材料上具有多个上下贯通的材料分隔带，所述多个材料分隔带分布(优选均匀分布)在所述基体材料上(优选整个所述基体材料上)并且将所述基体材料划分成多个材料微单元，所述多个材料微单元之间由所述材料分隔带划分但仍互相连接，所述材料微单元可以具有相同或者不同的几何形状(优选具有相同的几何形状)并且分布(优选均匀分布)在所述基体材料上(优选整个所述基体材料上)。
8.根据7所述的芯材，其中所述材料分隔带在所述材料微单元的直边上形成，并且相邻的所述材料微单元通过其顶角保持互相连接，优选地，所述多个材料微单元呈蜂窝状六边形或连续的矩形，并且优选地，所述多微孔材料是多微孔发泡材料，并且优选地，所述多微孔材料选自：聚氨脂泡沫，聚丙乙烯泡沫，聚乙烯泡沫，聚对苯二甲酸乙二醇酯泡沫，聚苯乙烯泡沫，聚亚苯基砜树脂泡沫，聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，聚甲基丙烯酸甲酯泡沫和轻木。
9.一种制备三明治夹芯结构的复合材料的方法，所述方法包括： a)提供覆盖面板；b)提供根据6-8中任一项所述的芯材；以及c)在所述芯材的上下贯通的材料分隔带中填充粘合剂以将所述芯材和所述两层覆盖面板粘合在一起，其中所述粘合剂可以是常用的任何粘合剂，例如，树脂粘合剂。
10.通过根据9所述的方法制备的三明治夹芯结构的复合材料。
附图简述
图1显示根据本发明的一个实例的加强结构的俯视图(六边形)。
图2显示根据本发明的一个实例的加强结构的俯视图(矩形)。
图3显示根据本发明的一个实例的一种切割刀具。
图4显示根据本发明的一个实例的使用所述加强结构作为芯材的典型三明治夹芯结构。
具体实施方式
提供以下实施例用以对本发明的技术方案进行说明，以下实施例不应被认为是对本发明的范围和精神的限制。
在制造“材料分割带”的多阶段工序中应当至少包括一个切割工序，顺序的制造出材料分隔带。
如图1与图2所示，为了有效率的制造材料分隔带(六边形布局如图1，矩形布局如图2)，可以将多个刀具在布置在刀具安装座上，然后朝向基体材料移动刀具进行切割，再移动刀具到达下一个工作点 (或者移动基体材料)，继续进行切割，达到连续生产的目的。在最优情况下，切割方向应当垂直与基体表面。如果将多个刀具布置在一起，每个刀具分别制出材料分隔带，则根据材料单元和材料分隔带的几何尺寸，按照可重复的原则，对刀具组进行阵列布置，如此阵列布置组成可以同时进行多位置切割的刀具带，从而提高生产效率。
优选的，刀具最小200um和最大3mm的宽度。
图3显示了一种理想的刀具，侧视图显示刀具的刃口应当具有一定角度，刀具尖端锐利，用于刺穿基体材料。刃口上分布有锯齿，锯齿相对于推进方向倾斜，并且从尖端开始向根部方向逐渐变细。
刀具朝向基体材料运动并贯穿基体材料。刀具以固定的倾斜角倾斜，以使其尖端刺进基体材料，刃口上的锯齿渐次进入基体材料，产生拉锯的效果，以获得平直且光滑的切割效果，刀具继续运动逐渐加长材料分隔带，直到刃口全部贯通基体材料。之后刀具反向运动，平滑的抽出基体材料与其分离，从而制出一组材料分割带。
如果基体材料具备足够的柔性，可以使用一对反向转动的压辊进行连续生产，这一对压辊中至少有一个安装有切割刀具，或者也可以使用一个压辊和负压装置共同组成的装置，压辊或者负压装置皆可用作阳模或阴模。
在更加优化的情况下，可以布置传送带或者其他形式的连续进料装置，将基体材料自动并且连续均速的通过刀具制出材料分隔带。
除了制造方法以外，本发明还包括如何有效的使用所述加强结构进行三明治夹芯结构复合材料的生产。
如图4所示，三明治夹芯结构包括至少两个面板，以及在面板之间加入所述之夹芯加强结构，以及使面板和所述夹芯加强结构牢固连接的物料，面板可以是纤维、非金属或者金属，可以是单层也可以是多层，连接物料可以是粘合剂或树脂。
使用所述的加强结构制造三明治夹芯结构时，如何保证粘合剂或树脂充分填充材料分隔带，是实现加强结构强度的关键。
如果制造工艺是使用预先浸渍树脂的纤维(预浸料)，然后在热压罐中进行固化的预浸料工艺，由于浸渍树脂通常为高黏性树脂，则需要在固化时施加一定的压力，保证树脂能够填充材料分隔带。优选的，在加强结构芯材与预浸料之间增加一层额外的胶膜，这样既能够保证有足够的树脂流动填充材料分隔带，还能够提高材料微单元与面板的结合强度。
如果制造工艺是使用金属或者非金属面板，使用其与加强结构芯材进行粘接，优选的，可以使用黏性较低的胶膜或粘合剂。
如果制造工艺是使用采取干态的纤维材料铺敷之后，用压力将树脂注入双面或单面模具，再进行固化的树脂液体成型工艺。优选的，可以采用黏性较低的树脂，并且提高注射压力，使树脂具备较高的流动性，能够充分填充材料分隔带。优选的，也可以使用不同层数的导流网，改变树脂的填充速度。

Claims (10)

1.一种使用基体材料制备三明治夹芯结构的复合材料中的芯材的方法，所述基体材料是多微孔材料形成的板材，所述方法包括：通过去除材料的方式在所述基体材料上形成多个上下贯通的材料分隔带，所述多个材料分隔带将所述基体材料划分成多个材料微单元，所述多个材料微单元之间由所述材料分隔带划分但仍互相连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述材料分隔带在所述材料微单元的直边上形成，并且相邻的所述材料微单元通过其顶角保持互相连接。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个材料分隔带均匀分布在(优选整个)所述基体材料上，优选地所述材料微单元具有相同的几何形状并且均匀分布在(优选整个)所述基体材料上，并且更优选地所述多个材料微单元呈蜂窝状六边形或连续的矩形。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述多微孔材料是多微孔发泡材料。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述多微孔材料选自：聚氨脂泡沫，聚丙乙烯泡沫，聚乙烯泡沫，聚对苯二甲酸乙二醇酯泡沫，聚苯乙烯泡沫，聚亚苯基砜树脂泡沫，聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，聚甲基丙烯酸甲酯泡沫和轻木。
6.通过根据前述权利要求中任一项所述的方法制备的三明治夹芯结构的复合材料中的芯材。
7.一种用于三明治夹芯结构的复合材料中的芯材，所述芯材由基体材料制成，所述基体材料是多微孔材料形成的板材，所述基体材料上具有多个上下贯通的材料分隔带，所述多个材料分隔带将所述基体材料划分成多个材料微单元，所述多个材料微单元之间由所述材料分隔带划分但仍互相连接。
8.根据权利要求7所述的芯材，其中所述材料分隔带在所述材料微单元的直边上形成，并且相邻的所述材料微单元通过其顶角保持互相连接，优选地所述多个材料分隔带均匀分布在(优选整个)所述基体材料上，优选地所述材料微单元具有相同的几何形状并且均匀分布在(优选整个)所述基体材料上，并且更优选地所述多个材料微单元呈蜂窝状六边形或连续的矩形，并且优选地，所述多微孔材料是多微孔发泡材料，并且优选地，所述多微孔材料选自：聚氨脂泡沫，聚丙乙烯泡沫，聚乙烯泡沫，聚对苯二甲酸乙二醇酯泡沫，聚苯乙烯泡沫，聚亚苯基砜树脂泡沫，聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，聚甲基丙烯酸甲酯泡沫和轻木。
9.一种制备三明治夹芯结构的复合材料的方法，所述方法包括：a)提供覆盖面板；b)提供根据权利要求6-8中任一项所述的芯材；以及c)在所述芯材的上下贯通的材料分隔带中填充粘合剂以将所述芯材和所述两层覆盖面板粘合在一起。
10.通过根据权利要求9所述的方法制备的三明治夹芯结构的复合材料。
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