CN114030268A - 具备高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种具备高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备方法。该方法通过在蜂窝芯材两侧端部制备胶黏剂层，实现增强材料在复合材料面板与蜂窝壁胶接位置的原位固定。在不影响二次胶接胶膜或自粘接预浸料树脂流动的情况下，达到增强树脂胶瘤强度，提高成型过程中工艺操作性的目的。本发明的成型方法简单，操作方便，所得制品具有优异的面板与芯材粘接性能，特别适用于航空航天领域对轻质高强蜂窝夹层结构的需求。

Description

具备高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，涉及具备高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备方法。
背景技术
蜂窝夹层复合材料作为一种轻质高强复合材料结构，在航空航天领域得到了广泛的应用。蜂窝芯材与面板粘接性能是决定夹层结构力学性能的关键因素。蜂窝芯材与面板粘接主要有自粘接和二次交接两种模式。对于自粘接而言，通常依靠固化成型过程中，面板未固化预浸料坯料中熔融挤出树脂在蜂窝端部壁面及面板交界处形成树脂胶瘤，从而实现蜂窝夹层结构复合材料面板固化及与蜂窝胶接的一次性成型。对于二次交接，则利用胶膜对已固化复合材料面板和蜂窝进行胶粘，通过固化过程中树脂胶膜熔融在蜂窝与面板间形成树脂胶瘤完成粘接。可以看出树脂胶瘤的大小、形状及强度是决定面板与蜂窝胶粘性能的重要因素。
为增加树脂胶瘤强度，现阶段主要通过在预浸料树脂或者胶粘胶膜中加入微纳填料，如碳纳米管、石墨烯等。采用上述方法虽然能够提高树脂胶瘤的强度，但由于微纳颗粒比表面积大，在树脂本体中容易发生团聚，为实现良好的分散，需额外增加工艺步骤，从而提升了制造成本。同时添加微纳颗粒增强填料的树脂体系工艺粘度变大、树脂流动性变差，也会造成蜂窝夹层结构成型过程中树脂在面板和蜂窝壁间浸润性减弱，不能形成足够大小尺寸的树脂胶瘤或者形成胶瘤内部产生缺陷，影响蜂窝芯材复合材料面板与芯材的粘接性能。基于以上问题，开发一种操作简单工艺灵活度高，在不改变树脂体系流动度的条件下原位增强复合材料面板与蜂窝间树脂胶瘤的方法显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种具备高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备方法。
本发明的技术解决方案是：
具备高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备方法。该方法包含下列步骤：
步骤一：准备复合材料面板与蜂窝芯材胶粘用液体胶黏剂和胶膜；
步骤二：将液体胶黏剂置于液面水平的平面内，蜂窝芯材沿垂直于蜂窝高度方向裁剪成水平端面。在蜂窝芯材端面蘸胶前，称取蜂窝重量为W1。之后将蜂窝芯材两裁切端面先后浸渍于液体胶黏剂中，待蜂窝壁端部截面沾附有胶黏剂后取出，称取此时重量为W2，(W2-W1)为蜂窝沾附胶黏剂的重量。
步骤三：将增强材料置于筛孔与其粒径或尺寸相当网筛中，均匀撒落于沾附胶黏剂的蜂窝芯材裁切端面，使增强材料在胶黏剂的作用下固定于蜂窝壁端部；待沾附一定增强材料后，称取此时蜂窝芯重量为W3。(W3-W2)为沾附增填料的重量。
步骤四：将上述沾附有增强材料的蜂窝夹层芯材，按照复合材料面板、胶膜、蜂窝芯材、胶膜、面板的叠层顺序组合完毕固化成型即可实现高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备。
所述复合材料面板为已固化树脂基复合材料层板或未固化树脂基复合材料预浸料铺层坯料。
所述复合材料面板增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、苎麻纤维、剑麻纤维、黄麻纤维中的一种或几种，增强纤维的结构形式为织物或者单向带。
所述复合材料面板为基体树脂为热塑性树脂或热固性树脂，其中：热塑性树脂为聚醚酮、聚砜、聚醚砜、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯醚或聚酰胺中的一种或几种混合树脂；热固性树脂为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、聚苯并噁嗪树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂或不饱和聚酯树脂中的一种或几种混合树脂。
所述蜂窝芯材为芳纶纸蜂窝、玻璃布蜂窝、铝蜂窝或者植物纤维蜂窝中的一种。
所述液体胶黏剂为环氧胶或聚氨酯胶或丙烯酸酯胶；液体胶黏剂粘度为1Pa·s～3Pa·s，且与蜂窝壁端部截面沾附后不流淌挂壁。
所述蜂窝芯材端面浸渍于液体胶黏剂深度为2mm±0.5mm。
所述胶膜与液体胶黏剂为同种类型材质胶膜。
所述增强材料为碳纳米管、石墨烯微纳颗粒或短切纤维；所述短切纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维中的一种，其中短切纤维长度不超过500μm。
所述蜂窝夹层结构固化成型工艺为热压罐工艺、真空袋工艺或模压工艺等。
本发明具有的优点和有益效果是：传统在粘接胶膜中或复合材料预浸料基体中添加增强材料，增大了成型过程中树脂熔融粘度，从而造成蜂窝壁与复合材料面板间胶瘤形成不够充分，影响胶粘效果。本发明通过在蜂窝壁端部粘取胶黏剂固定增强材料，当蜂窝芯材和复合材料面板固化成型时，胶膜熔融具有良好的流动性，在表面张力作用下与蜂窝芯材端部固定增强材料结合形成增强胶瘤，含增强材料的胶瘤相比纯树脂胶瘤强度更高，抗剥离破坏性能更加优异，从而提高面板与蜂窝芯材的粘接性能，有利于制备具有高强粘接性能的蜂窝夹层结构复合材料。
此外，该方法操作方便，工艺灵活度高，成型效率高，成型质量好，可适用于不同材料和尺寸规格的蜂窝夹层结构，在提高粘接性能的同时减少了结构增重，降低制造成本。是提高蜂窝夹层复合材料面板芯材粘接性能的有效方式，有较大工程应用价值。
附图说明
图1是制备流程示意图。
具体实施方式
本发明所述一种具备高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备方法。其具体流程图如图1所示。包含四个步骤：a.原材料准备；b.蜂窝芯材截面覆胶；c.增强材料固定；d.蜂窝夹层结构组合固化成型。
以下实施例用来具体说明本发明，但本发明不限于此。
具备高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备方法。该方法包含下列步骤：
步骤一：准备复合材料面板与蜂窝芯材胶粘用液体胶黏剂和胶膜；所述复合材料面板为已固化树脂基复合材料层板或未固化树脂基复合材料预浸料铺层坯料。
所述复合材料面板增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、苎麻纤维、剑麻纤维、黄麻纤维中的一种或几种，增强纤维的结构形式为织物或者单向带。
所述复合材料面板为基体树脂为热塑性树脂或热固性树脂，其中：热塑性树脂为聚醚酮、聚砜、聚醚砜、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯醚或聚酰胺中的一种或几种混合树脂；热固性树脂为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、聚苯并噁嗪树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂或不饱和聚酯树脂中的一种或几种混合树脂。
步骤二：将液体胶黏剂置于液面水平的平面内，蜂窝芯材沿垂直于蜂窝高度方向裁剪成水平端面。在蜂窝芯材端面蘸胶前，称取蜂窝重量为W1。之后将蜂窝芯材两裁切端面先后浸渍于液体胶黏剂中，待蜂窝壁端部截面沾附有胶黏剂后取出，称取此时重量为W2，(W2-W1)为蜂窝沾附胶黏剂的重量。
所述蜂窝芯材为芳纶纸蜂窝、玻璃布蜂窝、铝蜂窝或者植物纤维蜂窝中的一种。
所述蜂窝芯材端面浸渍于液体胶黏剂深度为2mm±0.5mm。
所述液体胶黏剂为环氧胶或聚氨酯胶或丙烯酸酯胶；液体胶黏剂粘度为1Pa·s～3Pa·s，且与蜂窝壁端部截面沾附后不流淌挂壁。
所述胶膜与液体胶黏剂为同种类型材质胶膜。
步骤三：将增强材料置于筛孔与其粒径或尺寸相当网筛中，均匀撒落于沾附胶黏剂的蜂窝芯材裁切端面，使增强材料在胶黏剂的作用下固定于蜂窝壁端部；待沾附一定增强材料后，称取此时蜂窝芯重量为W3。(W3-W2)为沾附增填料的重量。通过所述蜂窝沾附胶黏剂重量(W2-W1)和沾附填料重量(W3-W2)确定胶黏剂和填料比例。
步骤四：将上述沾附有增强材料的蜂窝夹层芯材，按照复合材料面板、胶膜、蜂窝芯材、胶膜、面板的叠层顺序组合完毕固化成型即可实现高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备。
所述增强材料为碳纳米管、石墨烯微纳颗粒或短切纤维；所述短切纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维中的一种，其中短切纤维长度不超过500μm。
所述蜂窝夹层结构固化成型工艺为热压罐工艺、真空袋工艺或模压工艺等。
实施例一
选用已固化苎麻平纹布/环氧树脂复合材料层板为蜂窝夹层结构面板，面板厚度为2.5mm，尺寸为200mm×200mm。液体胶黏剂与胶膜均为聚氨酯体系，其中环氧胶膜裁剪成200mm×200mm尺寸。蜂窝芯材为苎麻纤维纸蜂窝，其为孔边长为1.83mm，高度20mm，尺寸为200mm×200mm。增强材料体系为碳纳米管。
将液体胶黏剂置于平面托盘中，沾附胶黏剂前称取苎麻纤维纸蜂窝重量为38.4g。之后将蜂窝壁两侧端部分别浸渍于液体胶黏剂中，浸渍深度2mm。待端部沾附胶黏剂后称取重量为42.5g，将碳纳米管均匀撒落并固定于蜂窝端部胶黏剂表面，称取重量为43.1g。按照面板、胶膜、夹层芯材、胶膜、面板叠层顺序组合完毕，封装于真空袋于烘箱中加热并抽真空按照真空袋工艺固化成型。
实施例二
选用T300碳纤维/环氧树脂单向预浸带成型复合材料面板，单向带单层厚度0.125mm，其铺层方式为：[-45/0/+45/90]2s，面板厚度为2mm，尺寸为500mm×300mm。液体胶黏剂与胶膜均为环氧树脂体系，其中环氧胶膜裁剪成500mm×300mm尺寸。蜂窝芯材为芳纶纸蜂窝，其为孔边长为3.67mm，高度25mm，尺寸为500mm×300mm。增强材料体系为长度0.4mm芳纶短切纤维。
将液体胶黏剂置于平面托盘中，沾附胶黏剂前称取芳纶纸蜂窝重量为2100g。之后将蜂窝壁两侧端部分别浸渍于液体胶黏剂中，浸渍深度2mm。待端部沾附胶黏剂后称取重量为2112.3g，将碳纳米管均匀撒落并固定于蜂窝端部胶黏剂表面，称取重量为2114.1g。按照面板、胶膜、夹层芯材、胶膜、面板叠层顺序组合完毕，封装于真空袋于热压罐中加热加压并抽真空按照热压罐工艺固化成型。

Claims (10)

1.具备高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包含下列步骤：
步骤一：准备复合材料面板与蜂窝芯材胶粘用液体胶黏剂和胶膜；
步骤二：将液体胶黏剂置于液面水平的平面内，蜂窝芯材沿垂直于蜂窝高度方向裁剪成水平端面；在蜂窝芯材端面蘸胶前，称取蜂窝重量为W1；之后将蜂窝芯材两裁切端面先后浸渍于液体胶黏剂中，待蜂窝壁端部截面沾附有胶黏剂后取出，称取此时重量为W2，(W2-W1)为蜂窝沾附胶黏剂重量；
步骤三：将增强材料置于筛孔与其粒径或尺寸相当网筛中，均匀撒落于沾附胶黏剂的蜂窝芯材裁切端面，使增强材料在胶黏剂的作用下固定于蜂窝壁端部；待沾附一定增强材料后，称取此时蜂窝芯重量为W3，(W3-W2)为沾附增填料重量；；
步骤四：将上述沾附有增强材料的蜂窝夹层芯材，按照复合材料面板、胶膜、蜂窝芯材、胶膜、面板的叠层顺序组合完毕固化成型即可实现高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备。
2.根据权利要求1所述具备高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述复合材料面板为已固化树脂基复合材料层板或未固化树脂基复合材料预浸料铺层坯料。
3.根据权利要求1所述具备高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述复合材料面板增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、苎麻纤维、剑麻纤维、黄麻纤维中的一种或几种，增强纤维的结构形式为织物或者单向带。
4.根据权利要求1所述具备高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述复合材料面板为基体树脂为热塑性树脂或热固性树脂，其中：热塑性树脂为聚醚酮、聚砜、聚醚砜、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯醚或聚酰胺中的一种或几种混合树脂；热固性树脂为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、聚苯并噁嗪树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂或不饱和聚酯树脂中的一种或几种混合树脂。
5.根据权利要求1所述具备高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述蜂窝芯材为芳纶纸蜂窝、玻璃布蜂窝、铝蜂窝或者植物纤维蜂窝中的一种。
6.根据权利要求1所述具备高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述液体胶黏剂为环氧胶、聚氨酯胶或丙烯酸酯胶；液体胶黏剂粘度为1Pa·s～3Pa·s，且与蜂窝壁端部截面沾附后不流淌挂壁。
7.根据权利要求1所述具备高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述蜂窝芯材端面浸渍于液体胶黏剂深度为2mm±0.5mm。
8.根据权利要求1所述具备高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述胶膜与液体胶黏剂为同种类型材质。
9.根据权利要求1所述具备高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述增强材料为碳纳米管或石墨烯微纳颗粒或短切纤维；短切纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维中的一种，其中短切纤维长度不超过500μm。
10.根据权利要求1所述具备高强胶接性能的蜂窝夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述蜂窝夹层结构固化成型工艺为热压罐工艺、真空袋工艺或模压工艺。
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