CN113071182A - 一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板及其制备方法。本发明属于树脂基复合材料及其制备领域。本发明属于树脂基复合材料及其制备领域。本发明的空心球壳填充蜂窝碳纤维板由上面板、空心球壳填充的蜂窝芯板和下面板构成，其中空心球壳填充的蜂窝芯板由蜂窝结构和填充在蜂窝状空心内的空心球壳组成，各层板之间通过环氧基树脂粘合而成。本发明的方法：步骤1：以环氧基树脂为基体，以玻璃纤维为增强体，采用球型模具旋转固化法制备空心球壳；步骤2：在空心球壳外包覆环氧基树脂，然后将其粘接在蜂窝状空心内部；步骤3：在碳纤维板上均匀涂抹环氧基树脂，然后采用模压法将其与蜂窝芯板复合，再固化，得到空心球壳填充蜂窝碳纤维板。

Description

一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板及其制备方法
技术领域
本发明属于树脂基复合材料及其制备领域，具体涉及一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板及其制备方法。
背景技术
蜂窝夹层结构具有比刚度高、强度好、耐腐蚀、抗冲击性好等优点，在飞机及船舶等领域内的众多结构件上有较多的应用。碳纤维板质量轻，强度高，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都有广泛应用。
中空高强球以环氧基树脂为基体，玻璃纤维为增强体，采用球型模具旋转固化法制备空心球壳填充环氧树脂基复合材料。由于其内部为中空结构，具有密度小、质量轻的特点，同时兼顾强度高，硬度大。而传统的蜂窝夹层板存在刚度差、面密度大等缺点，导致结构变形大、重量大且易发生破坏失效，因此研发新型蜂窝碳纤维板具有重要意义。
发明内容
本发明是为了解决现有的蜂窝夹层板刚度差、重量大、易破坏的技术问题，而提供一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板及其制备方法。
本发明的一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板由上面板、空心球壳填充的蜂窝芯板和下面板构成，其中空心球壳填充的蜂窝芯板由蜂窝结构和填充在蜂窝状空心内的空心球壳组成，各层板之间通过环氧基树脂粘合而成。
进一步限定，所述空心球壳为以环氧基树脂为基体，以玻璃纤维为增强体的空心球壳。
进一步限定，所述空心球壳通过球型模具旋转固化法制备而成。
进一步限定，所述空心球壳通过环氧基树脂粘贴在蜂窝结构的蜂窝状空心内。
进一步限定，所述环氧基树脂中环氧树脂的含量约为33％。
进一步限定，所述环氧基树脂为DN-01环氧基树脂(成分及其含量CN201710725339.1)。
进一步限定，所述上、下面板均为碳纤维板。
进一步限定，所述上面板的厚度与下面板的厚度相同，均为1.5mm～2mm。
进一步限定，所述上面板的厚度为1.5mm～2mm，所述下面板的厚度为1.5mm～2mm。
进一步限定，所述空心球壳填充的蜂窝芯板的厚度与内部填充的空心球壳的直径相同。
进一步限定，所述空心球壳填充的蜂窝芯板的厚度为4mm～6mm。
进一步限定，所述空心球壳填充的蜂窝芯板的蜂窝结构的壁厚为0.15mm～0.25mm。
进一步限定，所述蜂窝结构的边长与内部填充的空心球壳的直径相适应，内置空心球壳与蜂窝结构的六面相切接触。
进一步限定，所述蜂窝结构为酚醛树脂蜂窝结构、纸蜂窝结构、芳纶蜂窝结构或铝蜂窝结构。
本发明的一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板的制备方法按以下步骤进行：
步骤1：以环氧基树脂为基体，以玻璃纤维为增强体，采用球型模具旋转固化法制备空心球壳；
步骤2：在空心球壳外均匀包覆一层环氧基树脂，然后将空心球壳置于蜂窝结构的蜂窝状空心中，使其粘接在蜂窝状空心内部，形成空心球壳填充的蜂窝芯板；
步骤3：在碳纤维板上均匀涂抹环氧基树脂，然后采用模压法将其与步骤3得到的空心球壳填充的蜂窝芯板的一面复合，于80～100℃下固化120min～180min，固化后在另一块碳纤维板上均匀涂抹环氧基树脂，然后采用模压法将其与空心球壳填充的蜂窝芯板的另一面复合，再于80～100℃下固化120min～180min，得到空心球壳填充蜂窝碳纤维板。
进一步限定，步骤2中所述环氧基树脂与空心球壳的质量比为1：(5～10)。
进一步限定，步骤3中在碳纤维板上涂抹环氧基树脂的质量与步骤2中所述空心球壳的质量比为1：(4～6)。
本发明相比现有技术的优点如下：
1)本发明的空心球壳填充蜂窝碳纤维板实测数据其屈服强度达到9.3MPa，是未填充空心球壳的蜂窝碳纤维板屈服强度的2～3倍，密度为0.902g/cm3，性能方面有显著提升。
2)每个蜂窝主体独立成型，使得每个蜂窝主体在承受拉伸或剪切载荷时，蜂窝主体内部受力均匀，应力在结构内部充分传递，蜂窝主体不易破坏，具有强度高的特点。另外，每个蜂窝内部都填充了一个中空球，该中空球具有密度小、质量轻、强度高的特点，增大了碳纤维面板与蜂窝芯材的接触面积，利于提高夹层结构的强度和刚度。
3)本发明制备的蜂窝型碳纤维复合材料板重量轻、耐腐蚀性能好、强度高、刚度大、阻燃性能优异。
附图说明
图1为本发明空心球壳填充蜂窝碳纤维板的结构示意图；其中1-下面板，2-蜂窝结构，3-空心球壳，4-上面板。
具体实施方式
实施例1：本实施例的一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板由上面板、空心球壳填充的蜂窝芯板和下面板构成，其中空心球壳填充的蜂窝芯板由蜂窝结构和填充在蜂窝状空心内的空心球壳组成，各层板之间通过环氧基树脂粘合而成；所述空心球壳为以环氧基树脂为基体，以玻璃纤维为增强体的空心球壳，所述空心球壳通过球型模具旋转固化法制备而成，所述空心球壳通过环氧基树脂粘贴在蜂窝结构的蜂窝状空心内；所述环氧基树脂中环氧树脂的含量约为33％，所述环氧基树脂为按专利号为CN201710725339.1制备得到的DN-01环氧基树脂，所述上、下面板均为碳纤维板，所述上面板的厚度与下面板的厚度相同，均为2mm，所述空心球壳填充的蜂窝芯板的厚度为5mm，所述蜂窝结构的壁厚为0.2mm，蜂窝结构的边长3mm，所述蜂窝结构为酚醛树脂蜂窝结构。
制备实施例1所述的空心球壳填充蜂窝碳纤维板的方法按以下步骤进行：
步骤1：以DN-01环氧基树脂为基体，以玻璃纤维为增强体，采用球型模具旋转固化法制备空心球壳，具体步骤为：将玻璃纤维与DN-01环氧基树脂按1:6的质量比混合，搅拌10min直至分散均匀，得到混合液，然后向涂抹了脱模剂的直径为5mm的球型模具中滴加0.06g混合液，设定球型模具转速为30r/min，固化温度为90℃，旋转固化2h后取出，即可得到空心球壳；
步骤2：在空心球壳外均匀包覆一层DN-01环氧基树脂，所述DN-01环氧基树脂与空心球壳的质量比为1:10，然后将空心球壳置于蜂窝结构的蜂窝状空心中，使其粘接在蜂窝状空心内部，形成空心球壳填充的蜂窝芯板；
步骤3：在碳纤维板上均匀涂抹DN-01环氧基树脂，所述DN-01环氧基树脂与步骤2中所述空心球壳的质量比为1:5，然后采用模压法将其与步骤3得到的空心球壳填充的蜂窝芯板的一面复合，于90℃下固化120min，固化后在另一块碳纤维板上均匀涂抹DN-01环氧基树脂，所述DN-01环氧基树脂与步骤2中所述空心球壳的质量比为1:5，然后采用模压法将其与空心球壳填充的蜂窝芯板的另一面复合，再于90℃下固化120min，得到空心球壳填充蜂窝碳纤维板。
实施例2：本实施例的一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板由上面板、空心球壳填充的蜂窝芯板和下面板构成，其中空心球壳填充的蜂窝芯板由蜂窝结构和填充在蜂窝状空心内的空心球壳组成，各层板之间通过环氧基树脂粘合而成；所述空心球壳为以环氧基树脂为基体，以玻璃纤维为增强体的空心球壳，所述空心球壳通过球型模具旋转固化法制备而成，所述空心球壳通过环氧基树脂粘贴在蜂窝结构的蜂窝状空心内；所述环氧基树脂中环氧树脂的含量约为33％，所述环氧基树脂为按专利号为CN201710725339.1制备得到的DN-01环氧基树脂，所述上、下面板均为碳纤维板，所述上面板的厚度与下面板的厚度相同，均为2mm，所述空心球壳填充的蜂窝芯板的厚度为6mm，所述蜂窝结构的壁厚为0.2mm，蜂窝结构的边长3.5mm，所述蜂窝结构为酚醛树脂蜂窝结构。
制备实施例2所述的空心球壳填充蜂窝碳纤维板的方法按以下步骤进行：
步骤1：以DN-01环氧基树脂为基体，以玻璃纤维为增强体，采用球型模具旋转固化法制备空心球壳，具体步骤为：将玻璃纤维与DN-01环氧基树脂按1:6的质量比混合，搅拌10min直至分散均匀，得到混合液，然后向涂抹了脱模剂的直径为6mm的球型模具中滴加0.08g混合液，设定球型模具转速为30r/min，固化温度为90℃，旋转固化2h后取出，即可得到空心球壳；
步骤2：在空心球壳外均匀包覆一层DN-01环氧基树脂，所述DN-01环氧基树脂与空心球壳的质量比为1:5，然后将空心球壳置于蜂窝结构的蜂窝状空心中，使其粘接在蜂窝状空心内部，形成空心球壳填充的蜂窝芯板；
步骤3：在碳纤维板上均匀涂抹DN-01环氧基树脂，所述DN-01环氧基树脂与步骤2中所述空心球壳的质量比为1:5，然后采用模压法将其与步骤3得到的空心球壳填充的蜂窝芯板的一面复合，于90℃下固化180min，固化后在另一块碳纤维板上均匀涂抹DN-01环氧基树脂，所述DN-01环氧基树脂与步骤2中所述空心球壳的质量比为1:5，然后采用模压法将其与空心球壳填充的蜂窝芯板的另一面复合，再于90℃下固化180min，得到空心球壳填充蜂窝碳纤维板。
对比例：本实施例与实施例1不同的是：蜂窝结构的蜂窝状空心中不填充空心球壳，其他步骤及参数与实施例1相同。
检测试验
对实施例1-2的空心球壳填充蜂窝碳纤维板以及对比例的蜂窝碳纤维板的力学性能进行检测，按照ASTMC 365-05标准进行检测，结果见表1。
表1实施例1-2以及对比例的复合板的力学性能
实施例1 实施例2 对比例
屈服强度(MPa) 9.3 8.7 3.3
对实施例1-2的空心球壳填充蜂窝碳纤维板以及对比例的蜂窝碳纤维板的密度进行检测，采用典型的表观密度法，用电子天平称得空心球壳填充蜂窝碳纤维板质量，再用游标卡尺测量复合材料的长、宽、高，计算出空心球壳填充蜂窝碳纤维板密度。结果见表2。
表2实施例1-2以及对比例的复合板的密度
实施例1 实施例2 对比例
质量(g) 20.34 22.31 16.06
长(mm) 51.37 51.36 51.33
宽(mm) 51.03 51.69 50.68
高(mm) 8.6 8.76 8.35
密度(g/cm<sup>3</sup>) 0.9022 0.9593 0.793

Claims (10)

1.一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板，其特征在于，该空心球壳填充蜂窝碳纤维板由上面板、空心球壳填充的蜂窝芯板和下面板构成，其中空心球壳填充的蜂窝芯板由蜂窝结构和填充在蜂窝状空心内的空心球壳组成，各层板之间通过环氧基树脂粘合而成。
2.根据权利要求1所述的一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板，其特征在于，所述空心球壳为以环氧基树脂为基体，以玻璃纤维为增强体的空心球壳，所述空心球壳通过球型模具旋转固化法制备而成，所述空心球壳通过环氧基树脂粘贴在蜂窝结构的蜂窝状空心内。
3.根据权利要求1或2所述的一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板，其特征在于，所述环氧基树脂中环氧树脂的含量约为33％，所述环氧基树脂为DN-01环氧基树脂。
4.根据权利要求1所述的一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板，其特征在于，所述上、下面板均为碳纤维板，所述上面板的厚度与下面板的厚度相同，所述上面板的厚度为1.5mm～2mm，所述下面板的厚度为1.5mm～2mm。
5.根据权利要求1所述的一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板，其特征在于，所述空心球壳填充的蜂窝芯板的厚度与内部填充的空心球壳的直径相同，蜂窝结构的边长与内部填充的空心球壳的直径相适应，内置空心球壳与蜂窝结构的六面相切接触。
6.根据权利要求1所述的一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板，其特征在于，所述空心球壳填充的蜂窝芯板的厚度为4mm～6mm，所述蜂窝结构的壁厚为0.15mm～0.25mm，蜂窝结构的边长4mm～6mm。
7.根据权利要求1所述的一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板，其特征在于，所述蜂窝结构为酚醛树脂蜂窝结构、纸蜂窝结构、芳纶蜂窝结构或铝蜂窝结构。
8.如权利要求1-7任意一项权利要求所述的一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板的制备方法其特征在于，该制备方法按以下步骤进行：
步骤1：以环氧基树脂为基体，以玻璃纤维为增强体，采用球型模具旋转固化法制备空心球壳；
步骤2：在空心球壳外均匀包覆一层环氧基树脂，然后将空心球壳置于蜂窝结构的蜂窝状空心中，使其粘接在蜂窝状空心内部，形成空心球壳填充的蜂窝芯板；
步骤3：在碳纤维板上均匀涂抹环氧基树脂，然后采用模压法将其与步骤3得到的空心球壳填充的蜂窝芯板的一面复合，于80～100℃下固化120min～180min，固化后在另一块碳纤维板上均匀涂抹环氧基树脂，然后采用模压法将其与空心球壳填充的蜂窝芯板的另一面复合，再于80～100℃下固化120min～180min，得到空心球壳填充蜂窝碳纤维板。
9.根据权利要去8所述的一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板的制备方法，其特征在于，步骤2中所述环氧基树脂与空心球壳的质量比为1：(5～10)。
10.根据权利要去8所述的一种空心球壳填充蜂窝碳纤维板的制备方法，其特征在于，步骤3中在碳纤维板上涂抹环氧基树脂的质量与步骤2中所述空心球壳的质量比为1：(4～6)。
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