CN113771445A - 一种基于碳泡沫的夹层结构及其制备方法和维修方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布一种基于碳泡沫的夹层结构及其制备方法和维修方法。所述夹层结构包括碳泡沫夹心和面板，所述碳泡沫夹心由树脂基、煤基、沥青基碳泡沫中的一种或几种构成，所述碳泡沫夹心同时具有热电传导性质可剪裁、模量大、强度高、抗冲击、加工性好、物化性能稳定、阻燃、无毒、防潮、吸波、可复合多种功能材料等优点，根据需求搭配不同材料构成的所述面板，形成在不同环境下，重点功能有所突出的、综合性能优越的夹层结构，可广泛应用于航空航天、汽车船舶、复合材料制造、建筑、安全防护等军用和民用领域。

Description

一种基于碳泡沫的夹层结构及其制备方法和维修方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种应用于环境复杂、力学和热学性能要求高的轻质夹层结构，具体涉及一种基于碳泡沫的夹层结构及其制备方法和维修方法。
背景技术
夹层结构因其比刚度大、稳定性好、工艺性好等特点在许多领域都得到了广泛应用。随着科技不断进步，对夹层结构性能的要求越来越高，其发展方向主要表现在：1)提高夹层结构的压缩、弯曲承载效率；2)使夹层结构具有吸波、隔热、导热、导电等多种功能，实现结构-功能一体化；3)提高夹层结构在高温、潮湿、侵蚀、冲击、振动等复杂环境中的生存能力，增加其寿命和可靠性；4)改善夹层结构的可修理性，实现低成本修理。而所有这些性能都有耐于芯材性能的提高和结构设计技术的进步。
目前夹层结构的新材种类繁多，但仍未有一种材料可以实现上述全部要求，需要寻找创新的材料。调查发现，近20年来，树脂基、煤基和沥青基碳泡沫为代表的新型泡沫成为轻质多功能结构材料和应用开发研究方面的热点之一。其中，树脂基碳泡沫密度与热导率均较低，与同等密度和热导率水平的陶瓷材料相比，具有更高的模量和强度；煤基碳泡沫具有低成本、轻质、高强、耐冲击、阻燃、耐腐蚀、吸收声能和振动能量、热电传导性能可剪裁等特点；沥青基碳泡沫具备轻质、高热导率和一定结构性能的技术特点。可以发现，碳泡沫具备多种功能，而且这些功能指标大范围可调。
现阶段，虽然关于碳泡沫的制备技术研究较多，但其在结构中的应用却鲜有报道。目前，碳泡沫尚停留在单一功能应用阶段，没有关于碳泡沫夹层结构功能和性能的研究与应用。
发明内容
为了研究出性能更好的结构-功能一体化夹层结构，本发明提供一种基于碳泡沫的夹层结构及其制备方法和维修方法。所述夹层结构为基于碳泡沫的轻质结构-功能一体化夹层结构。将碳泡沫作为夹层结构的夹芯材料，充分发挥碳泡沫的优点，公开了针对不同应用环境和不同功能需求的结构-功能一体化夹层结构设计技术及其制造技术，详细描述了一系列用途明确、重点功能突出、综合性能全面且优越的基于碳泡沫的夹层结构，所述夹层结构将作为基本单元单独或组合地应用于各类结构中，增加结构功能，提高结构性能。本发明进一步公开了所述夹层结构的维修技术，实现快速低成本维护，降低结构的全寿命周期成本。
本发明技术方案如下：
一种基于碳泡沫的夹层结构，所述夹层结构包括碳泡沫夹芯1和面板2。碳泡沫夹芯1具有相反的第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面上分别覆盖有面板2。所述碳泡沫夹芯1由树脂基、煤基和沥青基碳泡沫中的一种或几种组合构成，或者是由不同孔隙率同种碳泡沫组合构成。所述面板2采用多种材料，所述材料包括树脂、陶瓷和金属中的一种或几种混合材料，及其纤维增强材料，纤维包括碳纤维、硼纤维、聚乙烯纤维、芳族聚酰胺纤维、石英纤维、陶瓷纤维、金属纤维和/或天然纤维，并且上述纤维由任何织造织物制成，例如平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、短纤展开织物或无卷曲织物(NCF)或单向织物或其任何组合及任何铺层。
所述碳泡沫夹芯1厚度为1-200mm，所述面板2厚度为0.1-20mm。
所述碳泡沫夹芯1采用树脂基碳泡沫时，其性能为：密度0.10～0.25g/cm3，杨氏模量100～250MPa，压缩强度0.10～1MPa；树脂基碳泡沫常温热导率低于0.05W/(m·K)，在碳泡沫骨架中沉积碳气凝胶后，常温热导率低于0.03W/(m·K)。
所述碳泡沫夹芯1采用煤基碳泡沫时，其性能为：密度0.20～0.80g/cm3，杨氏模量1000～3000MPa，压缩强度8～15MPa。热导率和电导率可剪裁，对煤基碳泡沫进行炭化处理，其室温热导率0.15～0.2W/(m·K)，电导率低至4.25×103s/m，骨架沉浸碳气凝胶后热导率低至0.08W/(m·K)，对煤基碳泡沫进行石墨化处理，其室温热导率可达50W/(m·K)，电导率高至2.60×104s/m。相比于其它轻质材料抗冲击性能好，冲击韧性在0.0306～0.0368J/cm2之间；吸声能力强，吸声系数0.1～0.5；热膨胀系数6.41ppm/K。
所述碳泡沫夹芯1采用沥青基碳泡沫时，其性能为：密度0.40～0.60g/cm3，杨氏模量800-1500MPa，压缩强度1.5～4MPa；热导率最高可达150W/(m·K)。
制备基于碳泡沫的夹层结构的方法，包括基于碳泡沫的夹层结构的设计方法；
所述基于碳泡沫的夹层结构的设计方法，包括以下步骤：
步骤11，所述碳泡沫夹芯1初步选材，根据所述夹层结构的承载、传热、导电、吸波、防火、抗冲击等功能需求，初步确定碳泡沫材料种类，根据使用环境温度高低，确定是否需要抗氧化处理以及采用哪一种抗氧化处理工艺；
步骤12，面板2初步选材，根据使用需求，综合考虑面板材料的刚度、强度、传热、导电、使用温度、制造工艺、成本、使用维护性等各种性能，初步确定面板材料种类；
步骤13，所述夹层结构初步设计，根据步骤11和步骤12确定的材料范围，设计满足所述夹层结构的结构需求和功能需求的结构尺寸、面板铺层与厚度、碳泡沫密度等；
步骤14，迭代设计，步骤13的设计结果如果不满足使用要求或者某些性能超出使用要求，须对设计结果进行迭代，确定最佳或较佳的结构尺寸、面板铺层和碳泡沫密度等；
步骤15，根据所述夹层结构的面板材料、夹芯材料、结构构型和制造精度等要求制定工艺方案；
步骤16，设计元件典型件级试验件，验证设计结果。
制备基于碳泡沫的夹层结构的方法，还包括基于碳泡沫的夹层结构的制造方法，所述基于碳泡沫的夹层结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤21，碳泡沫夹芯粗加工，碳泡沫机械加工性能好，可以用传统机械加工的方式进行加工，经过粗加工，将碳泡沫加工成夹芯需求的形状和尺寸，厚度需要精确保证，其它方向尺寸可以大于成品所需尺寸，在成型后进一步加工；
步骤22，面板加工，将面板材料加工成所需尺寸，面板材料既可成型后与碳泡沫复合，也可以熔融态材料或玻璃态材料或预浸料的形式，与碳泡沫复合后再凝固或固化成型；
步骤23，面板与夹芯复合，复合方式可采用：1)胶黏剂连接，碳泡沫与各类型胶黏剂都可产生较大结合力，胶黏剂可根据所述面板2的材料搭配，如所述面板2的材料为环氧树脂基复合材料可搭配环氧树脂胶膜为胶黏剂；2)熔融态材料或玻璃态材料冷却连接，如熔融金属、热塑性树脂等；3)所述面板2材料渗入碳泡沫中后高温固化成型或降温凝固成型，如树脂基复合材料预浸料的树脂浸入碳泡沫等；或者4)所述面板2材料在一定环境(温度、压力等)下与碳泡沫发生反应联结成型，如碳/碳复合材料等；
步骤24，精加工，将成型的夹层结构加工成产品所需形状和尺寸，并进行表面处理。
基于碳泡沫的轻质结构-功能一体化夹层结构的维修方法，包括以下步骤：
步骤31，用砂轮手工打磨或其他方法去除涂层；
步骤32，无损检测，通过工业CT扫描、敲击及目视等手段，明确所述夹层结构损伤面积；
步骤33，用砂轮或其他机械方法去除受损的所述面板2，剪裁受损的所述碳泡沫夹芯1；
步骤34，清理待修理区域污染物；
步骤35，修复所述碳泡沫夹芯1，用挖补修理的方法填充修补，芯材补片与原结构搭接构型如图2所示，搭接构型包括台阶搭接21、凹凸搭接22、搭扣搭接23、斜搭接24，所述搭接构型可保证所述碳泡沫夹芯1刚度和强度恢复至未损伤状态，热性能与未损伤状态相差不超过5％，根据所述夹层结构使用环境、载荷等需求，选择搭接界面处理工艺，搭接界面可采用一种或多种胶黏剂或熔融态材料或玻璃态材料；
步骤36，当所述面板2的材料为非金属材质，可以用补片修理方法，面板补片可以是梯形或斜削形，面板补片可以是预固化二次胶接到夹层结构上，或由预浸料制成后与胶黏剂同时共固化，或用干纤维布和糊状树脂制成然后共固化；当所述面板2的材料为金属材质，补片还可以焊接到原夹层结构上，焊缝需要打磨平整。
所述碳泡沫夹芯1由树脂基、煤基、沥青基碳泡沫中的一种或几种构成，所述碳泡沫夹芯1的碳泡沫种类不同，其有益效果有所异同。
所述夹层结构都具备的有益效果为：
(1)所述夹层结构可实现结构功能一体化，而且多功能间可剪裁。碳泡沫夹芯的碳骨架与多种材料相容性好，在碳泡沫骨架中可沉积多种材料以改善材料性能，并根据需要调配各项性能，其手段包括但不限于沉积碳气凝胶可以提高隔热能力，沉积相变材料可以使夹层结构变成储能材料，沉积碳化硅颗粒可以提高碳泡沫的抗氧化能力；(2)碳泡沫比刚度、比强度大，所述夹层结构承载能力较强；(3)所述夹层结构使用寿命更长、耐受的环境更复杂、可靠性更高。碳泡沫热稳定性好，400℃下不发生任何氧化，3000℃无氧条件下材料结构稳定，长期使用不会出现树脂材料和陶瓷材料的老化现象，无金属材料的锈蚀现象；(4)所述夹层结构加工性能好，所述碳泡沫夹芯1与所述面板2既可以复合后加工成型，也可以加工成型后复合。碳泡沫胚料尺寸大于1×1×0.7m3，可利用木材、金属加工设备对胚料或所述夹芯结构进行加工，得到任何需要的形状；(5)所述夹层结构抗冲击、抗振动性能好，适用于复杂环境。碳泡沫中的碳骨架强度较大，相比同密度多孔材料可以吸收更多冲击能量，吸收更多振动能量；(6)所述夹层结构具有无毒、阻燃特性。碳泡沫在400℃以上会发生氧化反应，但是在大气条件下只会缓慢氧化，未氧化部分保持稳定的结构，而且碳泡沫的热导率能做到很低，不会将局部高温迅速扩散出去，有利于控制火情，搭配无毒、阻燃的面板材料，所述夹层结构可以做到无毒、阻燃，是一种很好的防火结构；(7)综上，所述夹层结构的综合性能优越，具备很强的环境适应能力，可将多种特定功能集成在承载结构上，有效削减其他系统负担，减少系统整体重量和复杂程度，提高系统性能和可靠性，降低系统成本。
特别的，所述碳泡沫夹芯1由树脂基碳泡沫构成时，所述夹层结构有以下特殊益处：所述夹层结构同时具备优越的隔热性能和一定承载能力，适用于要求隔热材料具有一定承载能力的结构，比如飞行器热防护瓦、发动机进气道、建筑外隔热层、输油管道保温层等；具备很好的机械加工性能，可以满足绝大多数夹层结构对外形的要求；具备较强的复杂环境适应能力，在普通环境尤其是湿热环境中比树脂、陶瓷、硅气凝胶和金属夹芯夹层结构寿命更长更可靠。所述夹层结构具备上述益处的原因在于，树脂基碳泡沫的热导率和密度与现有先进隔热陶瓷材料接近，略低于硅气凝胶，但力学性能远高于现有高性能陶瓷和硅气凝胶材料，不会发生类似于陶瓷和硅气凝胶这些材料高温下长期工作隔热性能与力学性能退化的现象；陶瓷和硅气凝胶在成型方面受到尺寸和加工的限制，而所述夹层结构没有这些限制。
特别的，所述碳泡沫夹芯1由煤基碳泡沫构成时，所述夹层结构有以下特殊益处：所述夹层结构是一种轻质的结构功能一体化结构，既是承载结构，也具备多种功能。在承载方面，所述夹层结构的刚度和强度比绝大多数相同质量其它夹芯材料的夹层结构要高，而且在较大的冲击载荷下仍能保持很好的结构完整性，多孔结构可以有效地吸收环境振动载荷；在功能方面，所述夹层结构具备很好的热管理性能，可根据热环境需求设计成导热或隔热夹层结构，所述夹层结构具备吸波性能，可用于静电屏蔽结构，所述夹层结构可广泛应用于航空航天、汽车船舶、建筑、复材制造、通讯等多个领域。
特别的，所述碳泡沫夹芯1由沥青基碳泡沫构成时，所述夹层结构有以下益处：所述夹层结构是一种轻质的导热结构，在相同散热效果的前提下，沥青基碳泡沫夹层结构的重量是铜制散热结构重量的1/3至1/2，而且具备很好的结构强度和刚度，进一步地，在沥青基碳泡沫骨架中沉积相变材料，所述夹层结构可以作为储能结构，更好的参与热管理。所述夹层结构可显著减小换热器等热管理结构的重量，减少使用维护成本，拓宽产品应用范围。
附图说明
图1是基于碳泡沫的轻质结构功能一体化夹层结构示意图；
图2是碳泡沫夹层结构挖补修理补片与原结构搭接构型示意图；
图3是一种基于碳泡沫的轻质结构-隔热一体化壳体夹层结构应用实例结构图。
其中：1-碳泡沫夹芯；2-面板；21-台阶搭接；22-凹凸搭接；23-搭扣搭接；24-斜搭接；31-煤基碳泡沫夹芯；32-外面板；33-内面板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，然而附图及实施例仅提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
图1是基于碳泡沫的轻质结构功能一体化夹层结构示意图。如图1所示，基于碳泡沫的轻质结构-功能一体化夹层结构，所述夹层结构由碳泡沫夹芯1、面板2构成。碳泡沫夹芯1可以是各种需要的形状，例如弧形体、长方体等。碳泡沫夹芯1具有相反的两个表面，每个表面上均覆盖有面板2。例如碳泡沫夹芯1为弧形体时，碳泡沫夹芯1的内表面上覆盖有内面板，外表面上覆盖有外面板。例如碳泡沫夹芯1为长方体时，碳泡沫夹芯1的上表面上覆盖有上面板，下表面上覆盖有下面板。
所述碳泡沫夹芯1由树脂基、煤基和沥青基碳泡沫中的一种或几种组合构成，也可以是不同孔隙率同种碳泡沫组合构成。所述面板2可以采用多种材料，包括树脂、陶瓷和金属中的一种或几种混合材料，及其纤维增强材料，纤维包括碳纤维、硼纤维、聚乙烯纤维、芳族聚酰胺纤维、石英纤维、陶瓷纤维、金属纤维和/或天然纤维，并且它们可以由任何织造织物制成，例如平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、短纤展开织物或无卷曲织物(NCF)或单向织物或其任何组合及任何铺层。
所述碳泡沫夹芯1厚度为1-200mm，所述面板2厚度为0.1-20mm。
所述碳泡沫夹芯1采用树脂基碳泡沫时，其性能为：密度0.10～0.25g/cm3，杨氏模量100～250MPa，压缩强度0.10～1MPa；树脂基碳泡沫常温热导率低于0.05W/(m·K)，在碳泡沫骨架中沉积碳气凝胶后，常温热导率低于0.03W/(m·K)。
所述碳泡沫夹芯1采用煤基碳泡沫时，其性能为：密度0.20～0.80g/cm3，杨氏模量1000～3000MPa，压缩强度8～15MPa；热导率和电导率可剪裁，对煤基碳泡沫进行炭化处理，其室温热导率0.15～0.2W/(m·K)，电导率低至4.25×103s/m，骨架沉浸碳气凝胶后热导率低至0.08W/(m·K)，对煤基碳泡沫进行石墨化处理，其室温热导率可达50W/(m·K)，电导率高至2.60×104s/m；相比于其它轻质材料抗冲击性能好，冲击韧性在0.0306～0.0368J/cm2之间；吸声能力强，吸声系数0.1～0.5；热膨胀系数6.41ppm/K。
所述碳泡沫夹芯1采用沥青基碳泡沫时，其性能为：密度0.40～0.60g/cm3，杨氏模量800-1500MPa，压缩强度1.5～4MPa；热导率最高可达150W/(m·K)。
基于碳泡沫的轻质结构-功能一体化夹层结构的设计方法，包括以下步骤：
步骤11，所述碳泡沫夹芯1初步选材，根据所述夹层结构的承载、传热、导电、吸波、防火、抗冲击等功能需求，初步确定碳泡沫材料种类，根据使用环境温度高低，确定是否需要抗氧化处理以及采用哪一种抗氧化处理工艺；
步骤12，面板2初步选材，根据使用需求，综合考虑面板材料的刚度、强度、传热、导电、使用温度、制造工艺、成本、使用维护性等各种性能，初步确定面板材料种类；
步骤13，所述夹层结构初步设计，根据步骤11和步骤12确定的材料范围，设计满足所述夹层结构的结构需求和功能需求的结构尺寸、面板铺层与厚度、碳泡沫密度等；
步骤14，迭代设计，步骤13的设计结果可能不满足使用要求或者某些性能超出使用要求，须对设计结果进行迭代，确定最佳或较佳的结构尺寸、面板铺层和碳泡沫密度等；
步骤15，根据所述夹层结构的面板材料、夹芯材料、结构构型和制造精度等要求制定工艺方案；
步骤16，设计元件典型件级试验件，验证设计结果。
基于碳泡沫的轻质结构-功能一体化夹层结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤21，碳泡沫夹芯粗加工，碳泡沫机械加工性能好，可以用传统机械加工的方式进行加工，经过粗加工，将碳泡沫加工成夹芯需求的形状和尺寸，厚度需要精确保证，其它方向尺寸可以大于成品所需尺寸，在成型后进一步加工；
步骤22，面板加工，将面板材料加工成所需尺寸，面板材料既可成型后与碳泡沫复合，也可以熔融态材料或玻璃态材料或预浸料的形式，与碳泡沫复合后再凝固或固化成型；
步骤23，面板与夹芯复合，复合方式可采用：1)胶黏剂连接，碳泡沫与各类型胶黏剂都可产生较大结合力，胶黏剂可根据所述面板2的材料搭配，如所述面板2的材料为环氧树脂基复合材料可搭配环氧树脂胶膜为胶黏剂；2)熔融态材料或玻璃态材料冷却连接，如熔融金属、热塑性树脂等；3)所述面板2材料渗入碳泡沫中后高温固化成型或降温凝固成型，如树脂基复合材料预浸料的树脂浸入碳泡沫等；4)所述面板2材料在一定环境(温度、压力等)下与碳泡沫发生反应联结成型，如碳/碳复合材料等；
步骤24，精加工，将成型的夹层结构加工成产品所需形状和尺寸，并进行表面处理。
基于碳泡沫的轻质结构-功能一体化夹层结构的维修方法，包括以下步骤：
步骤31，用砂轮手工打磨或其他方法去除涂层；
步骤32，无损检测，通过工业CT扫描、敲击及目视等手段，明确所述夹层结构损伤面积；
步骤33，用砂轮或其他机械方法去除受损的所述面板2，剪裁受损的所述碳泡沫夹芯1；
步骤34，清理待修理区域污染物；
步骤35，修复所述碳泡沫夹芯1，用挖补修理的方法填充修补，芯材补片与原结构搭接构型如图2所示，搭接构型包括台阶搭接21、凹凸搭接22、搭扣搭接23、斜搭接24，所述搭接构型可保证所述碳泡沫夹芯1刚度和强度恢复至未损伤状态，热性能与未损伤状态相差不超过5％，根据所述夹层结构使用环境、载荷等需求，选择搭接界面处理工艺，搭接界面可采用一种或多种胶黏剂或熔融态材料或玻璃态材料；
步骤36，当所述面板2的材料为非金属材质，可以用补片修理方法，面板补片可以是梯形或斜削形，面板补片可以是预固化二次胶接到夹层结构上，或由预浸料制成后与胶黏剂同时共固化，或用干纤维布和糊状树脂制成然后共固化；当所述面板2的材料为金属材质，补片还可以焊接到原夹层结构上，焊缝需要打磨平整。
所述碳泡沫夹芯1由树脂基、煤基、沥青基碳泡沫中的一种或几种构成，所述碳泡沫夹芯1的碳泡沫种类不同，其有益效果有所异同。
实施例
一种基于碳泡沫的轻质结构-隔热一体化壳体夹层结构，见图3。该夹层结构包括煤基碳泡沫夹芯31、外面板32、内面板33，其中煤基碳泡沫夹芯31选用密度为0.45g/cm3、室温热导率为0.08W/(m·K)的隔热煤基碳泡沫，外面板32选用碳/碳复合材料，内面板33选用双马树脂基碳纤维增强复合材料。
本实例所述夹层结构的制备方法包含以下工序：
1)煤基碳泡沫夹芯31机械加工。用数控机床将煤基碳泡沫成所需形状，泡沫厚度25mm；
2)外面板32成型与复合。在泡沫外表面铺覆碳/碳复合材料的预浸料，经高温高压炭化，形成碳/碳复合材料面板的同时，与碳泡沫之间也形成了强度极高的C-C键，外面板与夹芯之间形成了牢固的结合力；重复以上步骤可以获得较厚的碳/碳复合材料面板，本实例外面板32厚度为5mm；
3)内面板33复合成型与复合。在碳泡沫内表面覆盖一层0.3mm厚的双马树脂胶膜，再在胶膜上铺覆双马树脂基复合材料的预浸料，经250℃高温固化后形成内面板33，内面板33与煤基碳泡沫夹芯31之间通过胶黏剂牢固连接。
本实例所述夹层结构具备以下性能：
1)隔热性能。煤基碳泡沫热导率为0.08W/(m·K)，接近先进陶瓷隔热瓦；2)抗冲击性能。本实例所述夹层结构可以抵抗直径为1mm的铝合金球以10km/s的速度冲击外表面，远高于当前所有陶瓷隔热瓦；3)结构性能。采用的煤基碳泡沫模量为2GPa，拉伸破坏强度2.7MPa，压缩破坏强度10MPa，远高于其它隔热材料，可以充分发挥面板材料的承载能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于碳泡沫的夹层结构，其特征在于，所述夹层结构包括碳泡沫夹芯(1)和面板(2)；其中，碳泡沫夹芯(1)具有相反的第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面上分别覆盖有面板(2)；所述碳泡沫夹芯(1)由树脂基、煤基和沥青基碳泡沫中的一种或几种组合构成，或者是由不同孔隙率同种碳泡沫组合构成；所述面板(2)采用多种材料，所述材料包括树脂、陶瓷和金属中的一种或几种混合材料，及其纤维增强材料，纤维包括碳纤维、硼纤维、聚乙烯纤维、芳族聚酰胺纤维、石英纤维、陶瓷纤维、金属纤维和/或天然纤维，并且所述纤维由任何织造织物制成，例如平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、短纤展开织物或无卷曲织物(NCF)或单向织物或其任何组合及任何铺层。
2.根据权利要求1所述的夹层结构，其特征在于，所述碳泡沫夹芯(1)厚度为1-200mm，所述面板(2)厚度为0.1-20mm。
3.根据权利要求1所述的夹层结构，其特征在于，所述碳泡沫夹芯(1)采用树脂基碳泡沫时，其性能为：密度0.10～0.25g/cm3，杨氏模量100～250MPa，压缩强度0.10～1MPa；树脂基碳泡沫常温热导率低于0.05W/(m·K)，在碳泡沫骨架中沉积碳气凝胶后，常温热导率低于0.03W/(m·K)。
4.根据权利要求1所述的夹层结构，其特征在于，所述碳泡沫夹芯(1)采用煤基碳泡沫时，其性能为：密度0.20～0.80g/cm3，杨氏模量1000～3000MPa，压缩强度8～15MPa；热导率和电导率能够剪裁，对煤基碳泡沫进行炭化处理，其室温热导率0.15～0.2W/(m·K)，电导率低至4.25×103s/m，骨架沉浸碳气凝胶后热导率低至0.08W/(m·K)，对煤基碳泡沫进行石墨化处理，其室温热导率达50W/(m·K)，电导率高至2.60×104s/m；冲击韧性在0.0306～0.0368J/cm2之间；吸声系数0.1～0.5；热膨胀系数6.41ppm/K。
5.根据权利要求1所述的夹层结构，其特征在于，所述碳泡沫夹芯(1)采用沥青基碳泡沫时，其性能为：密度0.40～0.60g/cm3，杨氏模量800-1500MPa，压缩强度1.5～4MPa；热导率最高达150W/(m·K)。
6.制备如权利要求1-5中任一项所述的基于碳泡沫的夹层结构的方法，其特征在于，包括基于碳泡沫的夹层结构的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：
步骤11，所述碳泡沫夹芯(1)初步选材，根据所述夹层结构的承载、传热、导电、吸波、防火、抗冲击等功能需求，初步确定碳泡沫材料种类，根据使用环境温度高低，确定是否需要抗氧化处理以及采用哪一种抗氧化处理工艺；
步骤12，面板(2)初步选材，根据使用需求，综合考虑面板材料的刚度、强度、传热、导电、使用温度、制造工艺、成本、使用维护性等各种性能，初步确定面板材料种类；
步骤13，所述夹层结构初步设计，根据步骤11和步骤12确定的材料范围，设计满足所述夹层结构的结构需求和功能需求的结构尺寸、面板铺层与厚度、碳泡沫密度等；
步骤14，迭代设计，步骤13的设计结果如果不满足使用要求或者某些性能超出使用要求，须对设计结果进行迭代，确定最佳或较佳的结构尺寸、面板铺层和碳泡沫密度等；
步骤15，根据所述夹层结构的面板材料、夹芯材料、结构构型和制造精度等要求制定工艺方案；
步骤16，设计元件典型件级试验件，验证设计结果。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：还包括基于碳泡沫的夹层结构的制造方法，所述基于碳泡沫的夹层结构的制造方法包括以下步骤：
步骤21，碳泡沫夹芯粗加工，经过粗加工，将碳泡沫加工成夹芯需求的形状和尺寸；
步骤22，面板加工，将面板材料加工成所需尺寸，面板材料成型后与碳泡沫复合，或者以熔融态材料或玻璃态材料或预浸料的形式，与碳泡沫复合后再凝固或固化成型；
步骤23，面板与夹芯复合，复合方式采用下列方式中的一种：1)胶黏剂连接，胶黏剂根据所述面板(2)的材料搭配，如所述面板(2)的材料为环氧树脂基复合材料搭配环氧树脂胶膜为胶黏剂；2)熔融态材料或玻璃态材料冷却连接，如熔融金属或热塑性树脂；3)所述面板(2)材料渗入碳泡沫中后高温固化成型或降温凝固成型，如树脂基复合材料预浸料的树脂浸入碳泡沫；4)所述面板(2)材料与碳泡沫发生反应联结成型，如碳/碳复合材料；
步骤24，精加工，将成型的夹层结构加工成产品所需形状和尺寸，并进行表面处理。
8.如权利要求1-5中任一项所述的基于碳泡沫的夹层结构或者如权利要求6-7任一项所述的方法制备的基于碳泡沫的夹层结构维修方法，包括以下步骤：
步骤31，用砂轮手工打磨或其他方法去除涂层；
步骤32，无损检测，通过工业CT扫描、敲击及目视等手段，明确所述夹层结构损伤面积；
步骤33，用砂轮或其他机械方法去除受损的所述面板(2)，剪裁受损的所述碳泡沫夹芯(1)；
步骤34，清理待修理区域污染物；
步骤35，修复所述碳泡沫夹芯(1)，用挖补修理的方法填充修补，将芯材补片与原结构搭接，搭接构型包括台阶搭接(21)、凹凸搭接(22)、搭扣搭接(23)、斜搭接(24)，所述搭接构型保证所述碳泡沫夹芯(1)刚度和强度恢复至未损伤状态，热性能与未损伤状态相差不超过5％，根据所述夹层结构使用环境、载荷等需求，选择搭接界面处理工艺，搭接界面采用一种或多种胶黏剂或熔融态材料或玻璃态材料；
步骤36，当所述面板(2)的材料为非金属材质，用补片修理方法，面板补片是梯形或斜削形，面板补片是预固化二次胶接到夹层结构上，或由预浸料制成后与胶黏剂同时共固化，或用干纤维布和糊状树脂制成然后共固化；当所述面板(2)的材料为金属材质，补片焊接到原夹层结构上，焊缝需要打磨平整。
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CN107756830A (zh) * 2017-09-28 2018-03-06 国营芜湖机械厂 一种适用于外场雷达罩损伤快速修复工艺方法

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