CN113696509A - 一种超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料的一体化成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料的一体化成型方法。包括以下步骤：1)对铝合金薄板进行表面处理；2)将铝合金薄板、连续纤维预浸料、热熔胶膜和三维编织中空预制体按设计顺序铺层；3)通过树脂真空导流工艺浸渍三维编织中空预制体，卸压，将模具上模上升一定距离；4)向真空袋中通入热空气，待三维编织中空预制体胀形，关闭真空阀口，静置固化。结合热模压工艺、树脂真空导流工艺以及气压成型工艺，有效解决三维编织中空预制体绒经站立不完全及站立高度不统一的问题。高效低成本的实现超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料的平板件、曲率件的一体化成型，从而解决轨道交通行业该类复合板的制造需求。

Description

一种超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料的一体化成型 方法

技术领域

本发明涉及一种夹层结构的制备成型方法，属于复合材料的制备及成型领域，尤其涉及的是一种超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料的一体化成型制备方法。

背景技术

随着高速列车的不断提速，对车体的轻量化提出了更高的要求，结合我国正在研制的时速600公里高速磁悬浮列车、时速400公里可变轨距高速列车任务，新材料的应用及其结构优化设计无疑是实现轻量化的最有效的途径。

我国现有标准化动车组的蒙皮结构(包括开闭机构、驾驶舱、设备舱底板、裙板等)，面板主要采用铝合金等传统金属材料制造，随着列车的进一步提速，已无法满足车体在轻量化、耐疲劳和抗冲击方面的要求。结合近年来国内外的研究成果，较传统金属材料，纤维复合材料可显著提高车体结构的轻量化程度和疲劳性能。然而，单一的纤维复合材料无法满足高速列车抗冲击性能要求，碰撞安全性低，砂石冲击的损害严重。本发明采用金属和纤维交替铺层的超混杂面板，与金属结构相比，结构减重25-30％，疲劳寿命提高10-20倍；与树脂基复合材料结构相比，具有显著的抗冲击性能优势，适用于服役环境苛刻、承载能力要求高、易受强烈冲击的部位。对于驾驶舱、设备舱底板及裙板等结构，往往需要引入中空结构进行刚度加强，并提高车体的隔音、隔热能力。在不改变结构尺寸的前提下，采用三维编织中空预制体作为芯材，可以有效的克服传统泡沫、蜂窝结构与面板剥离力差的特点。三维编织中空预制体结构具有可设计、可填充预埋、易于成型等特点。

三维编织中空预制体是连续纤维整体编织的三维结构，由经纱(地经纱、绒经)和纬纱构成，上下面层由地经纱和纬纱交织构成，绒经穿过上下面板作为芯层，一般与纬向的夹角为80-90°。在织造过程中，三维中空织物上下面板的距离为理论高度，当织物浸润树脂后，绒经由于“毛细作用”自动“站立”，上下面板被撑开，此时的高度为实际高度。匡宁等研究了树脂含量对三维编织中空预制体复合材料固化后实际高度的影响，发现三维编织中空预制体的实际高度随着树脂含量的增加而增加，并存在最大树脂含量。目前，三维中空复合材料的主要成型方法为手糊成型工艺，存在绒经站立不完全及表面不平整(站立高度不统一)等问题。为了克服现有技术中三维编织中空预制体芯层绒经站立性问题，CN104527092B专利中采用磁场的作用，将金属丝置于三维编织中空预制体的间隙，将磁铁置于上方，使得三维编织中空预制体芯层中绒经到达设定站立高度。但是该方法难以实现大规模批量生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料的一体化成型方法。

针对我国高速列车行业对高速列车行业超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料的一体化成型以及性能方面的要求，采用纤维金属层板作为面板，三维编织中空预制体作为芯材，结合热压成型工艺、真空导流工艺及气压成型工艺一体化成型超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料，可以有效的解决三维编织中空预制体绒经站立不完全及站立高度不统一的问题，并能高效低成本的实现超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料的平板件、曲率件的一体化成型。

一种超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料的一体化成型方法，包括以下步骤：

1)铝合金薄板胚料准备，进行表面处理；

2)首先将铝合金薄板、连续纤维预浸料、热熔胶膜和三维编织中空预制体按次序铺叠，包覆脱模布后置于定制尺寸的真空袋中，用真空泵对其抽真空处理；随后放入高速列车构件专用模具中，合模热压干法粘接预成型；

3)通过树脂真空导流工艺浸渍三维编织中空预制体；卸压，将模具上模上升一定距离；

4)向真空袋中通入热空气，保持一定压力，将三维编织中空预制体胀形，关闭真空阀口，静置固化；

5)开启模具，机械手取出构件；用高压水刀去除构件毛刺，得到超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料。

所述的方法，所述步骤1)中的铝合金多工序表面处理方法包括：喷砂、15分钟氧气等离子表面处理。

所述的方法，所述步骤2)中的纤维包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维；树脂包括环氧树脂、聚丙烯树脂、聚酰胺树脂；树脂对应的热熔胶膜厚度为0.02-0.08mm。

所述的方法，所述步骤3)中定制尺寸的真空袋的长宽高尺寸即为所制备的超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料的尺寸。

所述的方法，所述步骤3)中的高速列车构件专用模具包括高速列车地板模具、高速列车车顶板模具和高速列车裙板模具。

所述的方法，所述步骤3)中的脱模布为双面粘接脱模布，即一面与真空袋粘接，一面与铝合金薄板粘接。

所述的方法，所述步骤3)中的温度为120-260℃，压力为0.5-0.8MPa。

所述的方法，所述步骤4)中上模上升的距离为三维编织中空预制体的高度。

所述的方法，所述步骤5)中通入的气体为热空气，温度为120-130℃。

所述的方法，所述步骤5)中通入的气体压力为0.1-0.2MPa。

本发明的有益效果在于：

本发明的超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料采用金属和纤维交替铺层的结构为面板，三维编织中空预制体为芯材。通过热模压技术使得各材料干法粘接，然后通过树脂导流工艺使得树脂均匀浸渍三维编织中空预制体，最后导入热空气可以有效解决三维编织中空预制体绒经站立不完全及站立高度不统一的问题，并能高效低成本的实现超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料的平板件、曲率件的一体化成型。而对比文件是通过导流网导流压缩空气使得聚氨酯树脂的发泡量控制在一定高度内，同时导流网熔融后提高界面粘接性。三维编织中空预制体制备过程中存在两个问题，一是绒经站立不完全的问题，二是表面平整度(站立高度不统一)的问题。本专利都有效的解决了。此外，三维编织中空预制体成型后面板较薄，加上纤维金属超混杂面板后提高了结构的耐疲劳和抗冲击性能。

本发明针对超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料一体化成型难的问题，提出基于金属和纤维交替铺层的结构为面板，三维编织中空预制体为芯材的夹层结构，借助高速列车构件专用模具，结合热模压工艺、树脂真空导流工艺以及气压成型工艺，可以有效的解决三维编织中空预制体绒经站立不完全及站立高度不统一的问题，高效低成本的实现超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料的平板件、曲率件的一体化成型，从而解决轨道交通行业该类复合板的制造需求。

本发明方法可实现超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料的一体化成型方法；同时，仅需简单的热模压设备和配套模具，成型效率高、成本低，为高性能高速列车复合板的工业化批量生产和应用提供了新的思路。

附图说明

图1为本发明超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料的结构示意图；1-铝合金薄板，2-纤维预浸料，3-热熔胶膜，4-三维编织中空预制体；

图2为本发明成型示意图；5-列车地板结构上模，6-列车地板结构件，7-列车地板结构下模；

图3为本发明提供的制备方法示意图；

图4为列车车顶板成型示意图，8-列车车顶板结构上模，9-列车车顶板结构件，10-列车车顶板结构下模；

图5为列车裙板成型示意图；11-列车裙板结构上模，12-列车裙板结构件，13-列车裙板结构下模。

图6为超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料照片图，可以看到，中空预制体绒经站立性良好。

图7为本发明工艺流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

第一步 裁剪尺寸为1000mm×1200mm×15mm玻璃三维编织中空预制体一块，1000mm×1200mm×0.15mm玻璃纤维增强环氧预浸料八块，1000mm×1200mm×0.03mm环氧热熔胶膜八块。

第二步 对四块尺寸为1000mm×1200mm×0.3mm的2024铝合金薄板进行表面处理，通过喷砂、15分钟氧气等离子表面处理方法。

第三步 参考图1，将材料按2024铝合金薄板1、玻璃纤维预浸料2、2024铝合金薄板1、玻璃纤维预浸料2、玻璃三维编织中空预制体4、玻璃纤维预浸料2、2024铝合金薄板1、玻璃纤维预浸料2、2024铝合金薄板1，其中各层之间采用环氧热熔胶膜粘结，玻璃纤维预浸料采用正交铺层。

第四步 将双面粘接的脱模布(图中未示出)分别粘于夹层结构的上下表面，将夹层结构放入1000mm×1200mm×18mm真空袋，保证脱模布的另一面与真空袋的内表面无缝粘接，用真空泵对其抽真空处理。将其置于高速列车平板构件专用模具中合模。合模热压预成型，压力为0.6MPa，温度为120℃，保温90分钟后自然冷却到室温得到纤维金属中空预制体。

第五步 准备环氧树脂，通过树脂真空导流工艺浸渍玻璃纤维金属中空预制体。卸压，将模具上模上升15mm。

第六步 向真空袋中通入120℃热空气，压力为0.13MPa，充满真空袋，直至玻璃三维编织中空预制体成型，室温固化24小时，由于气压胀形的作用，三维编织中空预制体绒经站立性良好。

第七步 开启模具，机械手取出构件。用高压水刀去除构件毛刺，得到高速列车地板用超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料。

实施例2

第一步 裁剪尺寸为800mm×1000mm×10mm碳三维编织中空预制体一块，800mm×1000mm×0.3mm碳纤维增强聚丙烯预浸料八块，800mm×1000mm×0.04mm聚丙烯热熔胶膜八块。

第二步 对四块尺寸为800mm×1000mm×0.5mm的6061铝合金薄板进行表面处理，通过喷砂、15分钟氧气等离子表面处理方法。

第三步 用机械手将材料按6061铝合金薄板、碳纤维预浸料、6061铝合金薄板、碳纤维预浸料、碳三维编织中空预制体、碳纤维预浸料、6061铝合金薄板、碳纤维预浸料、6061铝合金薄板，其中各层之间采用聚丙烯热熔胶膜粘结，碳纤维预浸料采用正交铺层。

第四步 将双面粘接脱模布分别粘于夹层结构的上下表面，将夹层结构放入800mm×1000mm×15mm真空袋，用真空泵对其抽真空处理。将其置于高速列车顶板构件专用模具中合模。合模热压预成型，压力为0.8MPa，温度为180℃，保温5分钟后自然冷却到室温。

第五步 准备环氧树脂，通过树脂真空导流工艺浸渍碳三维编织中空预制体。卸压，将模具上模上升10mm。

第六步 向真空袋中通入120℃热空气，压力为0.2MPa，充满真空袋，直至碳三维编织中空预制体成型，室温固化24小时，由于气压胀形的作用，三维编织中空预制体绒经站立性良好。

第七步 开启模具，机械手取出构件。用高压水刀去除构件毛刺，得到高速列车顶板用超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料。

实施例3

第一步 裁剪尺寸为600mm×1100mm×15mm玄武岩三维编织中空预制体一块，600mm×1100mm×0.3mm玄武岩增强聚酰胺预浸料八块，600mm×1100mm×0.05mm聚酰胺热熔胶膜八块。

第二步 对四块尺寸为600mm×1100mm×0.5mm的7075铝合金薄板进行表面处理，通过喷砂、15分钟氧气等离子表面处理方法。

第三步 将材料按7075铝合金薄板、玄武岩纤维预浸料、7075铝合金薄板、玄武岩纤维预浸料、玄武岩三维编织中空预制体、玄武岩纤维预浸料、7075铝合金薄板、玄武岩纤维预浸料、7075铝合金薄板，其中各层之间采用聚酰胺热熔胶膜粘结，玄武岩纤维预浸料采用正交铺层。

第四步 将双面粘接脱模布分别粘于夹层结构的上下表面，将夹层结构放入600mm×1100mm×20mm真空袋，用真空泵对其抽真空处理。将其置于高速列车裙板构件专用模具中合模。合模热压预成型，压力为0.5MPa，温度为260℃，保温8分钟后自然冷却到室温。

第五步 准备环氧树脂，通过树脂真空导流工艺浸渍玄武岩三维编织中空预制体。卸压，将模具上模上升15mm。

第六步 向真空袋中通入120℃热空气，压力为0.1MPa，充满真空袋，直至玄武岩三维编织中空预制体成型，室温固化24小时，由于气压胀形的作用，三维编织中空预制体绒经站立性良好。

第七步 开启模具，机械手取出构件。用高压水刀去除构件毛刺，得到高速列车裙板用超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料的一体化成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)铝合金薄板胚料准备，进行表面处理；

2)首先将铝合金薄板、连续纤维预浸料、热熔胶膜和三维编织中空预制体按次序铺叠，包覆脱模布后置于定制尺寸的真空袋中，用真空泵对其抽真空处理；随后放入高速列车构件专用模具中，合模热压干法粘接预成型；

3)通过树脂真空导流工艺浸渍三维编织中空预制体；卸压，将模具上模上升一定距离；

4)向真空袋中通入热空气，保持一定压力，将三维编织中空预制体胀形，关闭真空阀口，静置固化；

5)开启模具，机械手取出构件；用高压水刀去除构件毛刺，得到超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中的表面处理方法包括：喷砂、氧气等离子表面处理。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中的纤维包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维；树脂包括环氧树脂、聚丙烯树脂、聚酰胺树脂；树脂对应的热熔胶膜厚度为0.02-0.08mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中定制尺寸的真空袋的长宽高尺寸即为所制备的超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料的尺寸。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中的高速列车构件专用模具包括高速列车地板模具、高速列车车顶板模具和高速列车裙板模具。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中的脱模布为双面粘接脱模布，即一面与真空袋粘接，一面与铝合金薄板粘接。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中的温度为120-260℃，压力为0.5-0.8MPa。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中上模上升的距离为三维编织中空预制体的高度。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5)中通入的气体为热空气，温度为120-130℃。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5)中通入的气体压力为0.1-0.2MPa。

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