CN112937039B - 一种仿竹夹芯结构复合材料及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿竹夹芯结构复合材料及其制造方法，所述复合材料自上而下依次包括上面层、芯层和下面层，所述芯层设为单层或者多层夹芯结构，所述上面层靠近所述芯层一侧的材料密度大于所述上面层远离所述芯层一侧的材料密度，所述下面层靠近所述芯层一侧的材料密度大于所述下面层远离所述芯层一侧的材料密度。本发明与传统的夹芯结构相比，仿毛竹结构夹芯复合材料实现了芯层和面层的梯度变化，在受力时逐级受力，达到缓冲卸力的目的，这种密度变化的夹芯材料能更好实现轻质的情况下，在弯曲断裂时逐级吸收能量，在冲击时各层级逐步缓冲，力学性能得以提高。
Description
【技术领域】
本发明涉及复合材料的技术领域，特别是仿竹夹芯结构复合材料的技术领域。
【背景技术】
近年来，夹芯结构的复合材料开始广泛应用于航空航天、汽车、船舶、风力发电等领域。泡沫夹芯结构复合材料具有轻质高强、高比强度和高比模量的特点，能在满足材料弯曲强度和冲击强度等力学性能的前提下尽量减轻材料的重量。由于传统的泡沫夹芯结构芯层结构单一，且铺层方式设计较为简单，使得泡沫夹芯结构复合材料的抗弯强度和抗冲击性能难以找到有效的提升方法。因此为了改善这种情况，有必要对面层、芯层结构和铺层方式进行改进设计，以提高材料的抗弯和抗冲击性能。在仿生学研究过程中发现毛竹具有轻质高强的特点，毛竹的生物结构具有良好的抗弯强度、抗压强度和冲击韧性，并且发现毛竹纤维的排列存在一定的规律性变化，毛竹的这种结构特征为设计夹芯结构复合材料提供了良好的思路。
【发明内容】
本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种仿竹夹芯结构复合材料及其制造方法，能够通过仿毛竹结构提高复合材料的抗弯性能和抗冲击性能。
为实现上述目的，本发明提出了一种仿竹夹芯结构复合材料，所述复合材料自上而下依次包括上面层、芯层和下面层，所述芯层设为单层或者多层夹芯结构，所述上面层靠近所述芯层一侧的材料密度大于所述上面层远离所述芯层一侧的材料密度，所述下面层靠近所述芯层一侧的材料密度大于所述下面层远离所述芯层一侧的材料密度。
作为优选，所述芯层的厚度大于所述上面层和所述下面层的厚度，所述芯层为发泡材料，所述发泡材料内部设有孔隙结构，所述发泡材料的孔隙大小自上而逐渐变小，所述孔隙结构的孔隙密度自上而下逐渐变大。
所述的发泡材料包括聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯类的硬质塑料泡沫材料。
作为优选，所述发泡材料的密度范围为0.3g/cm3～0.6g/cm3。
作为优选，所述芯层设为单层结构。
作为优选，所述芯层为双层夹芯结构，所述芯层自上而下包括上层芯层、中间面层和下层芯层，所述上层芯层和下层芯层的孔隙大小自上而逐渐变小，且所述上层芯层的孔隙结构的最小密度大于所述下层芯层的孔隙结构的最大密度，所述中间面层靠近上面层一侧的材料密度小于所述中间面层靠近所述下面层一侧的材料密度。
作为优选，所述上层芯层和所述下层芯层的厚度范围均为5mm～10mm，所述中间面层为玻璃纤维层合板。
作为优选，所述上面层和所述下面层为纤维层合板，所述上面层和所述下面层厚度范围均为0.5mm～1.5mm。
所述的纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、涤纶纤维和其它具有一定强度的矿物纤维、人造纤维和合成纤维，以确保纤维增强的复合材料能达到一定的力学强度。
本发明还提出了一种制作单层结构仿竹夹芯结构复合材料的制作方法，包括如下步骤：
(1)使用半自动平板硫化仪，将纤维、树脂和发泡材料在模具上叠层铺放，发泡材料选用聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯或聚丙烯类的硬质塑料泡沫材料，在树脂的选择上，树脂的熔融温度要与夹芯发泡材料的熔融温度有交叉点，纤维选用在织造时通过组织密度变化实现内外层密度差异的织物；
(2)先将织物纤维密度小的一侧朝下，树脂进行消泡后浸制织物表面；
(3)将底层铺放完毕后，将发泡材料铺放在底层上，发泡材料孔隙大、密度小的一端朝上；
(4)在芯层发泡材料上方叠加表面层的织物，表面织物密度较小的一面朝上，树脂进行消泡后浸制织物表面；
(5)热压成型，热压温度控制在树脂和发泡材料的二者熔融温度之间的临界范围，压力在1～3MPa，热压时间5～15min。
本发明还提出了一种制作双层结构仿竹夹芯结构复合材料的制作方法，包括如下步骤：
(1)使用半自动平板硫化仪，将纤维、树脂和发泡材料在模具上叠层铺放，发泡材料选用聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯或聚丙烯类的硬质塑料泡沫材料，在树脂的选择上，树脂的熔融温度要与夹芯发泡材料的熔融温度有交叉点，纤维选用在织造时通过组织密度变化实现内外层密度差异的织物；
(2)先将织物纤维密度小的一侧朝下，树脂进行消泡后浸制织物表面；
(3)将底层铺放完毕后，将下层发泡材料铺放在底层上，下层发泡材料孔隙大、密度小的一端朝上；
(4)将玻璃纤维铺设在下层发泡材料上方，密度较小的一面朝上，使用树脂浸制玻璃纤维表面，形成中间层；
(5)将上层发泡材料铺放在中间层上，上层发泡材料孔隙大、密度小的一端朝上；
(6)在上层发泡材料上叠加表面层的织物，表面织物密度较小的一面朝上，使用树脂浸制织物表面；
(7)热压成型，热压温度控制在树脂和发泡材料的二者熔融温度之间的临界范围，压力在1～3MPa，热压时间5～15min。
本发明的有益效果：
1、本发明与传统的夹芯结构相比，仿毛竹结构夹芯复合材料实现了芯层和面层的梯度变化，在受力时逐级受力，达到缓冲卸力的目的，这种密度变化的夹芯材料能更好实现轻质的情况下，在弯曲断裂时逐级吸收能量，在冲击时各层级逐步缓冲，力学性能得以提高。
2、本发明的面层织物采用一体织造成形的多层织物，织物通过织造连接更加紧密，一体性更好，且多层织造赋予织物一定的厚度，同时通过织物组织变化实现密度控制，与现有的夹芯面层织物通过叠加方式增加厚度相比织物更加完整，不易剥离，且赋予由外到内密度的梯度变化，在遇到冲击时能在一定程度上卸力。
3、本发明的芯层发泡材料为发泡密度由大到小变化的缓冲结构，仿造毛竹维管束结构由外到内密度逐渐减小的梯度分布结构，在制作复合材料时将密度较小的一面朝上，使物体在受力后大孔隙端首先受力，后孔隙逐渐减小，起到缓冲作用，芯层的厚度选择可以根据实际用途进行变化，由于芯层的多层叠加不利于复合材料的一体结构，增加剥离的风险，建议采用单层或双层结构。
4、本发明在双层夹芯结构间引入玻璃纤维层合板，模拟毛竹纵截面纤维细胞—薄壁细胞—纤维细胞的排列结构，使得芯层在受力时有坚硬结构作为承载体，提高其力学性能。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是本发明实施例一的结构示意图；
图2是本发明实施例二的结构示意图。
图中：1-上面层、2-芯层、3-下面层、4-孔隙结构、5-中间面层、21-上层芯层、22-下层芯层。
【具体实施方式】
实施例一：
参阅图1，本发明一种仿竹夹芯结构复合材料，所述复合材料自上而下依次包括上面层1、芯层2和下面层3，所述芯层2设为单层或者多层夹芯结构，所述上面层1靠近所述芯层2一侧的材料密度大于所述上面层1远离所述芯层2一侧的材料密度，所述下面层3靠近所述芯层2一侧的材料密度大于所述下面层3远离所述芯层2一侧的材料密度，所述芯层2的厚度大于所述上面层1和所述下面层3的厚度，所述芯层2为发泡材料，所述发泡材料内部设有孔隙结构4，所述发泡材料的孔隙大小自上而逐渐变小，所述孔隙结构4的孔隙密度自上而下逐渐变大，所述发泡材料的密度范围为0.3g/cm3～0.6g/cm3，所述芯层2设为单层结构，所述上面层1和所述下面层3为纤维层合板，所述上面层1和所述下面层3厚度范围均为0.5mm～1.5mm。
上述的仿竹夹芯结构复合材料的制备方法如下：
(1)使用半自动平板硫化仪，将纤维、树脂和发泡材料在模具上叠层铺放，发泡材料选用聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯或聚丙烯类的硬质塑料泡沫材料，在树脂的选择上，树脂的熔融温度要与夹芯发泡材料的熔融温度有交叉点，纤维选用在织造时通过组织密度变化实现内外层密度差异的织物；
(2)先将织物纤维密度小的一侧朝下，树脂进行消泡后浸制织物表面；
(3)将底层铺放完毕后，将发泡材料铺放在底层上，发泡材料孔隙大、密度小的一端朝上；
(4)在芯层发泡材料上方叠加表面层的织物，表面织物密度较小的一面朝上，树脂进行消泡后浸制织物表面；
(5)热压成型，热压温度控制在树脂和发泡材料的二者熔融温度之间的临界范围，压力在1～3MPa，热压时间5～15min。
实施例二：
参阅图2，本发明一种仿竹夹芯结构复合材料，所述复合材料自上而下依次包括上面层1、芯层2和下面层3，所述芯层2设为单层或者多层夹芯结构，所述上面层1靠近所述芯层2一侧的材料密度大于所述上面层1远离所述芯层2一侧的材料密度，所述下面层3靠近所述芯层2一侧的材料密度大于所述下面层3远离所述芯层2一侧的材料密度，所述芯层2的厚度大于所述上面层1和所述下面层3的厚度，所述芯层2为发泡材料，所述发泡材料内部设有孔隙结构4，所述发泡材料的孔隙大小自上而逐渐变小，所述孔隙结构4的孔隙密度自上而下逐渐变大，所述发泡材料的密度范围为0.3g/cm3～0.6g/cm3，所述芯层2为双层夹芯结构，所述芯层2自上而下包括上层芯层21、中间面层5和下层芯层22，所述上层芯层21和下层芯层22的孔隙大小自上而逐渐变小，且所述上层芯层21的孔隙结构4的最小密度大于所述下层芯层22的孔隙结构4的最大密度，所述中间面层5靠近上面层1一侧的材料密度小于所述中间面层5靠近所述下面层3一侧的材料密度，所述上层芯层21和所述下层芯层22的厚度范围均为5mm～10mm，所述中间面层5为玻璃纤维层合板，所述上面层1和所述下面层3为纤维层合板，所述上面层1和所述下面层3厚度范围均为0.5mm～1.5mm。
上述的仿竹夹芯结构复合材料的制备方法如下：
(1)使用半自动平板硫化仪，将纤维、树脂和发泡材料在模具上叠层铺放，发泡材料选用聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯或聚丙烯类的硬质塑料泡沫材料，在树脂的选择上，树脂的熔融温度要与夹芯发泡材料的熔融温度有交叉点，纤维选用在织造时通过组织密度变化实现内外层密度差异的织物；
(2)先将织物纤维密度小的一侧朝下，树脂进行消泡后浸制织物表面；
(3)将底层铺放完毕后，将下层发泡材料铺放在底层上，下层发泡材料孔隙大、密度小的一端朝上；
(4)将玻璃纤维铺设在下层发泡材料上方，密度较小的一面朝上，使用树脂浸制玻璃纤维表面，形成中间层；
(5)将上层发泡材料铺放在中间层上，上层发泡材料孔隙大、密度小的一端朝上；
(6)在上层发泡材料上叠加表面层的织物，表面织物密度较小的一面朝上，使用树脂浸制织物表面；
(7)热压成型，热压温度控制在树脂和发泡材料的二者熔融温度之间的临界范围，压力在1～3MPa，热压时间5～15min。
本发明与传统的夹芯结构相比，仿毛竹结构夹芯复合材料实现了芯层和面层的梯度变化，在受力时逐级受力，达到缓冲卸力的目的。这种密度变化的夹芯材料能更好实现轻质的情况下，在弯曲断裂时逐级吸收能量，在冲击时各层级逐步缓冲，力学性能得以提高。所述多层织物的厚度和密度变化是在保证织物结构完整，织造一体的情况下，且为了使复合材料整体结构具备良好的抗弯和抗冲击性能，面层的纤维增强复合材料的厚度需要在0.5mm～1.5mm之间，面层厚度过大会影响与芯层的结合，导致二者易于产生剥离。所述芯层的发泡密度需要使得发泡板自身具有的一定的强度，密度不得过小，中间孔隙不得过大，使其在加热过程中不会产生塌陷。密度也不得过大，密度过大后单位体积芯层质量过大，达不到轻质的效果，密度的范围可在0.3g/cm3～0.6g/cm3区间变化。
上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种仿竹夹芯结构复合材料，其特征在于：所述复合材料自上而下依次包括上面层（1）、芯层（2）和下面层（3），所述芯层（2）设为单层或者多层夹芯结构，所述上面层（1）靠近所述芯层（2）一侧的材料密度大于所述上面层（1）远离所述芯层（2）一侧的材料密度，所述下面层（3）靠近所述芯层（2）一侧的材料密度大于所述下面层（3）远离所述芯层（2）一侧的材料密度，所述芯层（2）的厚度大于所述上面层（1）和所述下面层（3）的厚度，所述芯层（2）为发泡材料，所述发泡材料内部设有孔隙结构（4），所述发泡材料的孔隙大小自上而下逐渐变小，所述孔隙结构（4）的孔隙密度自上而下逐渐变大，所述发泡材料的密度范围为0.3g/cm3～0.6g/cm3。
2.如权利要求1所述的仿竹夹芯结构复合材料，其特征在于：所述芯层（2）为双层夹芯结构，所述芯层（2）自上而下包括上层芯层（21）、中间面层（5）和下层芯层（22），所述上层芯层（21）和下层芯层（22）的孔隙大小自上而下逐渐变小，且所述下层芯层（22）的孔隙结构（4）的最小密度大于所述上层芯层（21）的孔隙结构（4）的最大密度，所述中间面层（5）靠近上面层（1）一侧的材料密度小于所述中间面层（5）靠近所述下面层（3）一侧的材料密度。
3.如权利要求2所述的仿竹夹芯结构复合材料，其特征在于：所述上层芯层（21）和所述下层芯层（22）的厚度范围均为5mm～10mm，所述中间面层（5）为玻璃纤维层合板。
4.如权利要求1所述的仿竹夹芯结构复合材料，其特征在于：所述上面层（1）和所述下面层（3）为纤维层合板，所述上面层（1）和所述下面层（3）厚度范围均为0.5mm～1.5mm。
5.一种制作单层结构仿竹夹芯结构复合材料的制作方法，包括如下步骤：
（1）使用半自动平板硫化仪将纤维、树脂和发泡材料在模具上叠层铺放，发泡材料选用聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯的硬质塑料泡沫材料，在树脂的选择上，树脂的熔融温度要与夹芯发泡材料的熔融温度有交叉点，纤维选用在织造时通过组织密度变化实现内外层密度差异的织物；
（2）先将织物纤维密度小的一侧朝下，树脂进行消泡后浸渍织物表面；
（3）将底层铺放完毕后，将发泡材料铺放在底层上，所述发泡材料内部设有孔隙结构，所述发泡材料的孔隙大小自上而下逐渐变小，所述孔隙结构的孔隙密度自上而下逐渐变大，所述发泡材料的密度范围为0.3g/cm3～0.6g/cm3，发泡材料孔隙大、密度小的一端朝上；
（4）在芯层发泡材料上方叠加表面层的织物，表面织物密度较小的一面朝上，树脂进行消泡后浸渍织物表面；
（5）热压成型，热压温度控制在树脂和发泡材料的二者熔融温度之间的临界范围，压力在1～3MPa，热压时间5～15min。
6.一种制作双层结构仿竹夹芯结构复合材料的制作方法，包括如下步骤：
（1）使用半自动平板硫化仪，将纤维、树脂和发泡材料在模具上叠层铺放，发泡材料选用聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯的硬质塑料泡沫材料，在树脂的选择上，树脂的熔融温度要与夹芯发泡材料的熔融温度有交叉点，纤维选用在织造时通过组织密度变化实现内外层密度差异的织物；
（2）先将织物纤维密度小的一侧朝下，树脂进行消泡后浸渍织物表面；
（3）将底层铺放完毕后，将下层发泡材料铺放在底层上，所述发泡材料内部设有孔隙结构，所述发泡材料的孔隙大小自上而下逐渐变小，所述孔隙结构的孔隙密度自上而下逐渐变大，所述发泡材料的密度范围为0.3g/cm3～0.6g/cm3，下层发泡材料孔隙大、密度小的一端朝上；
（4）将玻璃纤维铺设在下层发泡材料上方，密度较小的一面朝上，使用树脂浸渍织物表面，形成中间层；
（5）将上层发泡材料铺放在中间层上，上层发泡材料孔隙大、密度小的一端朝上；
（6）在上层发泡材料上叠加表面层的织物，表面织物密度较小的一面朝上，使用树脂浸渍织物表面；
（7）热压成型，热压温度控制在树脂和发泡材料的二者熔融温度之间的临界范围，压力在1～3MPa，热压时间5～15min。
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