CN116176001A - 一种连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构、制备装置及制备方法 - Google Patents

一种连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构、制备装置及制备方法 Download PDF

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李华冠
陈熹
林艳艳
杨馥娜
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Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
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Abstract

本发明提供一种连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构，包括上面板、蜂窝芯和下面板；蜂窝芯通过将连续纤维增强热塑性树脂单向预浸料制成的瓦楞板进行焊接而成；上面板和下面板均由连续纤维增强热塑性树脂单向预浸料模压制成；上面板、蜂窝芯和下面板所应用的树脂种类相同。本发明还提供了上述蜂窝夹层结构的制备装置及制备方法。本发明针对现有技术的不足，分别在解决带能量导向器热塑性复合材料瓦楞板制备，超声焊接制备工装设计，蜂窝本体界面及夹层结构面芯连接工艺设计问题的基础上，通过整合上述关键技术形成工作流水线，实现轻量化、高强度全连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝芯与夹层结构的高效快速制备。

Description

一种连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构、制备装置 及制备方法
技术领域：
本发明属于复合材料蜂窝技术领域，具体涉及一种连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构、制备装置及制备方法。
背景技术：
蜂窝夹层复合材料凭借其优异的力学性能、尺寸稳定性以及吸波、消声、隔热等多功能特性，已经在航空航天、深海探测、汽车及轨道交通等领域得到广泛应用。现有技术中，使用较为广泛的蜂窝夹层结构一般由铝蜂窝、纸蜂窝等传统芯材和金属面板或复合材料面板通过钎焊或胶接等连接形式制备获得。其中，铝蜂窝等金属蜂窝夹层结构由于其密度大，压缩比刚度、比强度低，热膨胀显著，且在与碳纤维面板复合时还会存在显著的电偶腐蚀，在卫星及高精度结构件等领域已逐步被碳纤维复合材料蜂窝取代。Nomex芳纶纸蜂窝通过负载芳纶短切纤维与沉析纤维，改善了传统纸蜂窝力学性能差的问题，但其在抗湿热老化及耐候性方面仍存在缺陷，且其负载的酚醛树脂为热固性树脂，显著降低了其回收再利用能力。
随着各类高端装备对轻量化、环保行要求的不断提升，对发展新型轻质高强、可回收的全复合材料蜂窝夹层结构提出了新的需求。
相比于铝合金蜂窝，碳纤维、玻璃纤维等连续纤维增强热塑性树脂基复合材料蜂窝的比刚度提高了约2-3倍，比强度提高了约4-5倍，且根据承载需求，可开展针对性设计以获得所需的刚度和强度。同时，热塑性复合材料相比于热固性复合材料，兼具优异的抗冲击特性、较高的损伤容限和可反复升降温的特点，面芯连接时无需额外胶膜，所有材料均可回收和重复使用，资源利用率高。然而，热塑性复合材料在常温下模量高，加工与成型难度大，传统金属蜂窝和纸蜂窝的粘接-拉伸制备方法已不再适用。若采用热固性复合材料的瓦楞板粘接法制备，因蜂窝整体在高温下受热软化，除蜂窝结点界面无法有效受压固化外，还会影响蜂窝最终的成型精度。
基于上述技术现状，亟待开发一种连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝芯与夹层结构的快速制备装置与制备方法。
发明内容：
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构、制备装置及制备方法，通过带能量导向结构热塑性复合材料瓦楞板制备，超声焊接制备工装设计，蜂窝本体界面及夹层结构面芯连接工艺设计实现轻量化、高强度全连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝芯与夹层结构的快速制备。
本发明采用以下技术方案：
(一)一种连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构，包括上面板、蜂窝芯和下面板；所述蜂窝芯通过将连续纤维增强热塑性树脂单向预浸料制成的瓦楞板进行焊接而成；所述上面板和下面板均由连续纤维增强热塑性树脂单向预浸料模压制成。
进一步的，所述连续纤维增强热塑性树脂单向预浸料中，连续纤维为增强体，具体为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、石英纤维、玄武岩纤维及天然纤维中的一种或多种；热塑性树脂为基体，具体为聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮或聚乳酸；所述上面板、蜂窝芯和下面板所应用的树脂种类相同。
(二)本发明还提供一种连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构的制备装置，包括瓦楞板模压装置、蜂窝芯超声连接装置和夹层结构面芯超声连接装置和传送装置；所述瓦楞板模压装置用于将连续纤维增强热塑性树脂单向预浸料制成瓦楞板，所述蜂窝芯超声连接装置用于将瓦楞板焊接成蜂窝芯，所述夹层结构面芯超声连接装置用于将上面板、蜂窝芯和下面板焊接得到连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构；所述传送装置用于各装置间的自动传送。
进一步的，所述瓦楞板模压装置包括平板模压机、瓦楞上模具和瓦楞下模具；所述瓦楞上模具安装在平板模压机的上压板下方，瓦楞下模具安装在平板模压机的下压板上方；所述瓦楞下模具的凹槽底面设置有横截面为三角形的贯穿槽，所述贯穿槽的长度与瓦楞下模具中凹槽的长度一致。
进一步的，所述瓦楞上模具和瓦楞下模具焊接面均设置间隔设置的凹槽和凸起，所述凹槽和凸起的横截面均呈半正六边形结构，其中，半正六边形的边长与蜂窝六边形边长一致，变化范围为2.75mm～20mm。
进一步的，所述贯穿槽横截面为等腰直角三角形；所述等腰直角三角形中直角边长根据瓦楞板的厚度进行设定，变化范围0.5～2mm；所述贯穿槽的数量根据所制备蜂窝尺寸进行设定，每个凹槽底面中贯穿槽数量为1～9条，数量选取依据为三角形截面总面积(mm2)/半正六边形边长(mm)的比值为0.20～0.25。
进一步的，所述瓦楞板模压装置还包括冷却水循环泵和水流导管，所述平板模压机的上压板和下压板中均设置有冷却水道，所述冷却水道通过水流导管与冷却水循环泵连接。冷却水循环泵提供不同流动速率水流控制模压机冷却速率。
进一步的，所述平板模压机为现有结构，具体包括压力控制器、温度控制器、伺服控制电机及上下压板，所述上下压板均为平面压板；所述下压板表面设置有三角形截面槽，所述三角形截面槽贯穿下压板宽度方向；其中，模压温度可设置范围为30～400℃，合模由伺服控制电机控制，速率可设置范围为0～1000mm/min，冷却水道的直径为8～14mm。
进一步的，所述瓦楞板模压装置还包括两组侧边挡板，两组侧边挡板分别通过螺栓固定件安装在瓦楞下模具两侧。
进一步的，所述蜂窝芯超声连接装置包括第一超声波振动发生器、焊接底模和半六边形焊接头，半六边形焊接头固定安装在第一超声波振动发生器下方，半六边形焊接头的宽度与蜂窝芯的高度一致；所述焊接底模侧壁设置有若干六棱柱芯孔组合，每个六棱柱芯孔组合包括三个六棱柱芯孔，其中，两个六棱柱芯孔对称分布在一个六棱柱芯孔下部两侧；相邻两六棱柱芯孔组合之间的距离与六棱柱芯孔截面边长一致；所述六棱柱芯孔内设置有六棱柱芯棒，六棱柱芯棒伸出孔外的长度与蜂窝芯的高度一致，六棱柱芯棒伸出孔外的部分与半六边形焊接头上下位置对应。
进一步的，所述半六边形焊接头的宽度为5mm～50mm，六棱柱芯棒的承载长度与半六边形焊接头的宽度一致；所述半六边形焊接头设置有数量3～10个平行的振动面，所述振动面上设置有菱形格纹。
进一步的，所述六棱柱芯棒通过固定螺栓固定在六棱柱芯孔内部；所述焊接底模顶部设置有与六棱柱芯孔数量一致的垂直螺纹孔，所述垂直螺纹孔与六棱柱芯孔连通，通过将固定螺栓旋入垂直螺纹孔内，并对六棱柱芯棒产生压力，实现六棱柱芯棒的固定。
进一步的，所述蜂窝芯超声连接装置还包括快速夹钳和硅橡胶挡块；所述快速夹钳固定安装在焊接底模顶部，所述硅橡胶挡块与快速夹钳的压把横杆固定连接；所述硅橡胶挡块分布在六棱柱芯棒外侧，在蜂窝芯焊接过程中阻挡其向外移动，当蜂窝芯焊接完成后，硅橡胶挡块在快速夹钳的带动下向上转动，将蜂窝芯取出。
进一步的，所述快速夹钳上设置有通孔，焊接底模顶部设置有与通孔位置对应的螺纹连接孔，通过将螺钉穿过通孔并旋入螺纹连接孔，实现快速夹钳与焊接底模的固定。
进一步的，所述夹层结构面芯超声连接装置包括第二超声波振动发生器、焊接夹层底模、平面纵向振动焊接头和固定装置；所述平面纵向振动焊接头与第二超声波振动发生器固定连接，分布在第二超声波振动发生器下方，焊接夹层底模设置在平面纵向振动焊接头下方；所述固定装置设置在焊接夹层底模上，用于焊接过程中夹层结构的固定。
进一步的，所述固定装置包括焊接夹持头和硅橡胶夹头，所述焊接夹持头与焊接夹层底模固定连接；所述硅橡胶夹头安装在焊接夹持头上，在焊接夹持头的带动下对夹层结构产生压力。
进一步的，所述焊接夹持头与焊接夹层底模螺纹固定连接，焊接夹持头为快速夹钳结构，所述硅橡胶夹头固定在快速夹钳结构的夹钳压把端，在其带动下约束夹层结构焊接过程的各向自由度。
进一步的，所述平面纵向振动焊接头的焊接面设置有边长为0.5mm的菱形纹路，增大振动时待焊接面板与焊头间的摩擦系数。
(三)本发明还提供一种连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用热塑性树脂膜与连续纤维增强体复合材料制备连续纤维增强热塑性树脂单向预浸料，其中，纤维体积分数为55％～65％，树脂质量分数为36％～44％；
S2、将步骤S1制备的预浸料根据蜂窝服役特征进行裁切，按铺层顺序进行堆叠，随后在堆叠好的预浸料两端采用聚四氟乙烯脱模胶带封边；在瓦楞下模具表面均匀喷涂耐高温脱模剂，形成脱模剂层，然后在贯穿槽中铺设与制备预浸料的树脂种类一致的树脂粉末并压实，形成第一能量导向结构；将封边后的预浸料铺设于瓦楞上模具和瓦楞下模具之间，进行模压，得到预浸料瓦楞板；
S3、将制备得到瓦楞板裁切为窄带，窄带的宽度与蜂窝芯高度一致；将瓦楞板窄带具有第一能量导向结构的一面朝下依次堆叠在六棱柱芯棒与半六边形焊接头之间，推拉快速夹钳并启动第一超声波振动发生器，半六边形焊接头下压完成蜂窝芯的结点超声连接；移动瓦楞板其他待连接结点至焊接区，重复上述过程得到蜂窝芯；
S4、将步骤S1制备的预浸料根据蜂窝服役特征进行裁切，按铺层顺序进行堆叠；在下压板表面三角形截面槽中铺设与制备预浸料的树脂种类一致的树脂粉末并压实，形成第二能量导向结构，随后将裁切堆叠后的预浸料铺设于平板模压机的上下压板之间进行模压，得到上面板和下面板；
S5、将S3得到的蜂窝芯切割，将步骤S4制备的上面板和下面板裁切至与蜂窝芯相同尺寸；将上面板具有第二能量导向结构的一面朝下置于蜂窝芯上端面，对齐后置于焊接夹层底模中，推拉焊接夹持头完成结构固定并启动第二超声波振动发生器，平面纵向振动焊接头下压，完成上面板与蜂窝芯的连接；将焊接后结构翻转180°，重复上述过程完成下面板与蜂窝芯的连接，得到连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构。
进一步的，预浸料瓦楞板模压工艺与上面板、下面板的板模压工艺相同；所述模压工艺为：设定温度目标为热塑性树脂的成型加工温度窗口，优选加工窗口为95％Tm(树脂熔点温度，℃)，根据增强材料适当调整，以保证材料具有较低储能模量的同时避免树脂呈现较大的流动性；待内部实时温度达到树脂的成型加工温度窗口时，设置瓦楞上模具/上压板的下压速率为1mm/min，并按下合模开关；待模具完全合模后，设定温度目标为热塑性树脂的模压加工温度窗口，优选加工窗口为102％～105％Tm(树脂熔点温度，℃)；待温度达到设定值后，保持模压压力与温度5～25min，保证热塑性树脂具有合适的流动性，充分浸润模腔；关闭加热开关，打开冷却水循环泵开关，设置冷却水流量为5L～12L/min，控制冷却速率为10～60℃/min，待温度降至热塑性树脂玻璃化转变温度(Tg)以下时，关闭压力开关；待冷却至室温后取出瓦楞板试样/上面板和下面板。
本发明的有益效果：
本发明提出了满足航空航天、汽车及轨道交通领域等不同应用需求的连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构的制备方法，实现将热塑性复合材料引入用于蜂窝芯材的制备。通过超声焊接引入局部热源，解决了热塑性瓦楞板整体粘接制备蜂窝存在的型面坍塌、精度不良、能耗较高等问题。所制备得到的蜂窝相比于热固性复合材料兼具可回收、高韧性、抗冲击等优异力学性能。较比现有技术，本发明具有以下具体优势：
(1)对比金属类蜂窝芯，材料比刚度比强度显著提升，热膨胀系数降低，具有结构功能一体化可设计性和轻量化优势；
(2)对比热固性复合材料蜂窝芯，无需热固性材料2-3小时的固化时间，制备效率大幅提升；此外，因为没有固化释放气体小分子，材料致密度高，兼具优异的抗湿热膨胀特性且可反复回收利用；
(3)对比直接将热塑性瓦楞板采用烘箱粘接制备蜂窝或夹层结构的方法，超声焊接所需时间仅为0.1～5s，且压力、温度高度可控，制备效率和蜂窝尺寸精度高；同时，避免了非连接区域因为升温导致的软化和结晶行为引起的材料性能不均，能量利用率高，有效降低制备过程的碳排放。
附图说明：
图1是本发明装置整体结构示意图；
图2是本发明瓦楞板模压装置结构示意图；
图3是本发明瓦楞板模压装置中瓦楞上模具、瓦楞下模具结构示意图；
图4是本发明蜂窝芯超声连接装置示意图；
图5是本发明蜂窝芯超声焊接半六边形焊接头示意图；
图6是本发明蜂窝芯超声连接装置立体结构示意图；
图7是本发明夹层结构面芯超声连接装置示意图；
图8是本发明蜂窝芯超声焊接过程瓦楞板堆叠示意图；
附图中的标记为：
1、瓦楞板模压装置；2、蜂窝芯超声连接装置；3、夹层结构面芯超声连接装置；4、传送装置；5、平板模压机；6、瓦楞上模具；7、瓦楞下模具；8、冷却水循环泵；9、水流导管；10、冷却水道；11、第一超声波振动发生器；12、焊接底模；13、第二超声波振动发生器；14、半六边形焊接头；15、六棱柱芯棒；16、六棱柱芯孔；17、螺纹连接孔；18、螺钉；19、焊接夹层底模；20、焊接夹持头；21、平面纵向振动焊接头；22、压力控制器；23、温度控制器；24、伺服控制电机；25、侧边挡板；26、贯穿槽；27、振动面；28、垂直螺纹孔；29、固定螺栓；30、快速夹钳；31、硅橡胶挡块；32、压把横杆；33、手柄；34、硅橡胶夹头；35、第一能量导向结构；36、上面板；37、蜂窝芯；38、第二能量导向结构；39、下面板。
具体实施方式：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一、本发明提供一种连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构
本发明结构包括上面板、蜂窝芯和下面板；所述蜂窝芯通过将连续纤维增强热塑性树脂单向预浸料制成的瓦楞板进行焊接而成；所述上面板和下面板均由连续纤维增强热塑性树脂单向预浸料模压制成；蜂窝芯密度一般为100kg/m3～230kg/m3。
其中，所述连续纤维增强热塑性树脂单向预浸料中，连续纤维为增强体，具体为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、石英纤维、玄武岩纤维及天然纤维中的一种或多种，所述连续纤维在蜂窝壁上可具有0-360°任意方向铺层可调整；热塑性树脂为基体，具体可为聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮或聚乳酸。航空航天耐高温环境优选聚醚醚酮或聚苯硫醚，抗湿精密零件优选聚碳酸酯，汽车工业及轨道交通优选聚乙烯、聚丙烯或聚酰胺。
所述上面板、蜂窝芯和下面板所应用的树脂种类相同。所述蜂窝芯截面边长为2.75mm～20mm，蜂窝壁厚度为0.14mm～2mm，蜂窝高度为5mm～50mm。
二、本发明提供一种连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构的制备装置
参照图1～8，本发明装置包括瓦楞板模压装置1、蜂窝芯超声连接装置2和夹层结构面芯超声连接装置3和传送装置4；所述瓦楞板模压装置1用于将连续纤维增强热塑性树脂单向预浸料制成瓦楞板，所述蜂窝芯超声连接装置2用于将瓦楞板焊接成蜂窝芯，所述夹层结构面芯超声连接装置3用于将上面板、蜂窝芯和下面板焊接得到连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构；所述传送装置4用于各装置间的自动传送。
以下分别对瓦楞板模压装置1、蜂窝芯超声连接装置2和夹层结构面芯超声连接装置3的结构进行描述：
(一)瓦楞板模压装置
参照图1～2，所述瓦楞板模压装置1包括平板模压机5、瓦楞上模具6和瓦楞下模具7。
其中，所述平板模压机5为已有结构，具体包括压力控制器22、温度控制器23、伺服控制电机24及上下压板，所述上下压板均为平面压板，其中，模压温度可设置范围为30～400℃，合模由伺服控制电机24控制，速率可设置范围为0～1000mm/min。本发明瓦楞板模压装置1，以平板模压机5为基础，进行了以下改造：
1)在下压板表面开设等腰直角三角形截面槽，所述等腰直角三角形截面槽贯穿下压板宽度方向。
2)在平板模压机5的上压板下方可拆卸安装瓦楞上模具6，在平板模压机5的下压板上方可拆卸安装瓦楞下模具7，并且上压板与瓦楞上模具6可导热，下压板与瓦楞下模具7可导热；所述瓦楞上模具6和瓦楞下模具7焊接面均设置间隔设置的凹槽和凸起，所述凹槽和凸起的横截面均呈半正六边形结构，参照图3，其中，半正六边形的边长与蜂窝六边形边长一致，变化范围为2.75mm～20mm。
3)在瓦楞下模具7的凹槽底面开设横截面为三角形的贯穿槽26，参照图3，所述贯穿槽26的长度与瓦楞下模具7中凹槽的长度一致。所述贯穿槽26横截面为等腰直角三角形，所述等腰直角三角形中直角边长根据瓦楞板的厚度进行设定，变化范围0.5～2mm；所述贯穿槽26的数量根据所制备蜂窝尺寸进行设定，每个凹槽底面中贯穿槽26数量为1～9条，数量选取依据为三角形截面总面积(mm2)/半正六边形边长(mm)的比值为0.20～0.25。
4)在平板模压机5的上压板和下压板内设置了直径为8～14mm的冷却水道10，并相应配套设置了冷却水循环泵8和水流导管9，冷却水流量为5L～12L/min，模压冷却速率变化范围为10℃/min～60℃/min，参照图2。所述冷却水道10通过水流导管9与冷却水循环泵8连接，冷却水循环泵8提供不同流动速率水流控制模压机冷却速率，使模压完成后快速冷却，提高工作效率。
5)增加了两组侧边挡板，两组侧边挡板25分别通过螺栓固定件安装在瓦楞下模具7两侧，参照图3。
(二)蜂窝芯超声连接装置
参照图4～6，所述蜂窝芯超声连接装置2包括第一超声波振动发生器11(市面可购，其中，振幅可调范围为10～30μm，频率根据热塑性树脂材料可在15kHz、20kHz、35kHz切换，压力根据热塑性树脂材料可在0.1～0.8MPa切换，焊接功率为3000W，超声波发生模式可依据时间、功率和位移设置)、焊接底模12和半六边形焊接头14(材料为铝合金或钛合金)，半六边形焊接头14螺纹固定安装在第一超声波振动发生器11下方，半六边形焊接头14的宽度与蜂窝芯的高度一致。所述焊接底模12侧壁设置有若干六棱柱芯孔组合，每个六棱柱芯孔组合包括三个六棱柱芯孔16，其中，两个六棱柱芯孔16对称分布在一个六棱柱芯孔16下部两侧；相邻两六棱柱芯孔组合之间的距离与六棱柱芯孔16截面边长一致；所述六棱柱芯孔16内设置有六棱柱芯棒15，六棱柱芯棒15伸出孔外的长度与蜂窝芯的高度一致，六棱柱芯棒15伸出孔外的部分与半六边形焊接头14上下位置对应。
所述半六边形焊接头14的宽度为5mm～50mm，六棱柱芯棒15的承载长度与半六边形焊接头14的宽度一致；所述半六边形焊接头14设置有数量3～10个平行的振动面27，所述振动面上设置有菱形格纹，增大振动时待焊接面板与焊头间的摩擦系数，参照图5。
所述六棱柱芯棒15通过固定螺栓29固定在六棱柱芯孔16内部；所述焊接底模12顶部设置有与六棱柱芯孔16数量一致的垂直螺纹孔28，所述垂直螺纹孔28与六棱柱芯孔16连通，通过将固定螺栓29旋入垂直螺纹孔28内，并对六棱柱芯棒15产生压力，实现六棱柱芯棒15的固定，参照图6。
还设置有限位装置，以避免蜂窝芯焊接过程中向外移动。具体的，参照图6，所述限位装置包括快速夹钳30和硅橡胶挡块31，所述快速夹钳30上设置有通孔，焊接底模12顶部设置有与通孔位置对应的螺纹连接孔17，通过将螺钉18穿过通孔并旋入螺纹连接孔17，实现快速夹钳30与焊接底模12的固定；所述硅橡胶挡块31与快速夹钳30的压把横杆32通过螺纹刚性连接，所述硅橡胶挡块31分布在六棱柱芯棒15外侧，在蜂窝芯焊接过程中阻挡其向外移动，保障蜂窝焊接过程中的法向约束。当蜂窝芯焊接完成后，硅橡胶挡块31在快速夹钳30的带动下向上转动(具有90°可调角度)，将蜂窝芯取出。快速夹钳30为市面可购的结构，本文不对其结构进行详解描述。
(三)夹层结构面芯超声连接装置
参照图7，所述夹层结构面芯超声连接装置3包括第二超声波振动发生器13(市面可购)、焊接夹层底模19、平面纵向振动焊接头21和固定装置；所述平面纵向振动焊接头21与第二超声波振动发生器13螺纹固定连接，分布在第二超声波振动发生器13下方，焊接夹层底模19设置在平面纵向振动焊接头21下方；所述固定装置设置在焊接夹层底模19上，用于焊接过程中夹层结构的固定。
所述固定装置包括焊接夹持头20和硅橡胶夹头34，所述焊接夹持头20与焊接夹层底模19螺纹固定连接，所述硅橡胶夹头34安装在焊接夹持头20上，在焊接夹持头20的带动下对夹层结构产生压力。其中，焊接夹持头20为快速夹钳结构(市面可购)，所述硅橡胶夹头34固定在快速夹钳结构的夹钳压把端，在其带动下约束夹层结构焊接过程的各向自由度。
所述平面纵向振动焊接头21的焊接面设置有边长为0.5mm的菱形纹路，可增大振动时待焊接面板与焊头间的摩擦系数。
三、本发明提供了一种连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构的制备方法
本方法包括以下步骤：
步骤一：预浸料的制备：
采用热塑性树脂膜与连续纤维增强体复合材料制备连续纤维增强热塑性树脂单向预浸料，其中，纤维体积分数为55％～65％，树脂质量分数为36％～44％；
步骤二：预浸料的裁切：
将步骤一得到的预浸料根据蜂窝服役特征进行不同铺层角度的裁切，裁切至与瓦楞下模具7具有相同宽度，长度为瓦楞下模具7长度的4/3；针对面内剪切承载环境，优选±45°铺层；针对弯曲承载环境和面外剪切承载环境，优选沿弯曲方向的0°铺层；针对面外压缩承载环境，优选90°铺层；针对上述承载特征的叠加环境，可根据需求针对性开展铺层叠加。
根据蜂窝的承载环境特征，优选铺层见表1。
表1-蜂窝芯铺层选择
主要载荷形式 蜂窝芯铺层选择
面内剪切 ±45°
弯曲、面外剪切 0°
面外压缩 90°
步骤三：预浸料瓦楞板的制备：
将步骤二制备的预浸料裁切后，按铺层顺序进行堆叠，随后在堆叠好的预浸料两端采用聚四氟乙烯脱模胶带封边；在瓦楞下模具7表面均匀喷涂耐高温脱模剂，形成20μm脱模剂层，然后在贯穿槽26中铺设与制备预浸料的树脂种类一致的树脂粉末并压实，形成第一能量导向结构35，粉末直径优选13.0μm(1000目)～29.9μm(500目)；将封边后的预浸料铺设于瓦楞上模具6和瓦楞下模具7之间，进行模压，得到预浸料瓦楞板。
模压工艺为：设定温度目标为热塑性树脂的成型加工温度窗口，优选加工窗口为95％Tm(树脂熔点温度，℃)，根据增强材料适当调整，以保证材料具有较低储能模量的同时避免树脂呈现较大的流动性，针对不同热塑性树脂的蜂窝模压具体加工窗口见表2。
表2典型材料瓦楞板模压加工温度
Figure BDA0004031623180000091
Figure BDA0004031623180000101
待内部实时温度达到树脂的成型加工温度窗口时，设置瓦楞上模具6的下压速率为1mm/min，并按下合模开关；待模具完全合模后，设定温度目标为热塑性树脂的模压加工温度窗口，优选加工窗口为102％～105％Tm(树脂熔点温度，℃)；待温度达到设定值后，保持模压压力与温度5～25min，保证热塑性树脂具有合适的流动性，充分浸润模腔；关闭加热开关，打开冷却水循环泵8开关，设置冷却水流量为5L～12L/min，控制冷却速率为10～60℃/min，针对聚丙烯、聚乙烯等结晶型热塑性树脂，优选的冷却速率为60℃/min，以优化瓦楞板制备效率；针对聚苯硫醚、聚醚醚酮等半结晶型热塑性树脂，优选的冷却速率为10℃/min。待温度降至热塑性树脂玻璃化转变温度(Tg)以下时，关闭压力开关；待冷却至室温后取出瓦楞板试样。
此外，贯穿槽26中铺设的树脂粉末，对于熔点温度小于250℃的树脂体系，铺设的粉末为纯树脂粉末；对于熔点温度范围在250℃～400℃的树脂体系，铺设的粉末为纳米增强颗粒与纯树脂粉末的混合体，优选的，纳米增强颗粒为多壁碳纳米管或纳米二氧化硅。
步骤四：蜂窝芯的制备：
将制备得到瓦楞板通过水切割裁切为窄带，窄带的宽度与蜂窝芯高度一致，控制在5mm～50mm范围内；将瓦楞板窄带具有第一能量导向结构35的一面朝下依次堆叠在六棱柱芯棒15与半六边形焊接头14之间，设置第一超声波振动发生器11的振幅、压力、振动时间、延迟时间、功率、焊头下压速率工艺参数，推拉快速夹钳30并启动第一超声波振动发生器11，半六边形焊接头14下压完成蜂窝芯的结点超声连接；移动瓦楞板其他待连接结点至焊接区，重复上述过程得到蜂窝芯37。
针对不同热塑性树脂的具体蜂窝芯超声连接工艺参数见表3。
表3典型材料瓦楞板超声焊接参数
Figure BDA0004031623180000102
步骤五：上面板和下面板的制备：
将步骤一制备的预浸料根据蜂窝服役特征进行裁切，按铺层顺序进行堆叠；在等腰直角三角形截面槽中铺设与制备预浸料的树脂种类一致的树脂粉末并压实，形成第二能量导向结构38，随后将裁切堆叠后的预浸料铺设于平板模压机的上下压板之间进行模压(上下压板模压工艺与瓦楞板模压工艺相同)，得到上面板36和下面板39。
步骤六：连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构的制备：
将步骤四得到的蜂窝芯切割至所需夹层结构长度和宽度尺寸，将步骤S4制备的上面板36和下面板39裁切至与蜂窝芯37相同尺寸；将上面板36具有第二能量导向结构38的一面朝下置于蜂窝芯37上端面，对齐后置于焊接夹层底模19中，设置第二超声波振动发生器13的振幅、压力、振动时间、延迟时间、功率、频率、焊头下压速率工艺参数，推拉焊接夹持头20完成结构固定并启动第二超声波振动发生器13，平面纵向振动焊接头21下压，完成蜂窝夹层结构的局部连接，移动焊接夹层底模19，完成上面板36与蜂窝芯37的连接；将焊接后结构翻转180°，重复上述过程完成下面板39与蜂窝芯37的连接，得到连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构。本发明中第二能量导向结构38的作用是通过导向结构树脂熔融后的爬壁效应完成蜂窝夹层结构制备。
实施例1
本实施例一种飞行器方向舵用连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料蜂窝夹层结构，其制备方法如下：
步骤一，采用聚醚醚酮树脂膜与T800碳纤维增强体复合制备单向预浸料，纤维体积分数控制在65％，树脂质量含量控制在36％。
步骤二，将步骤一得到的连续纤维热塑性预浸料根据蜂窝服役特征进行不同铺层角度的裁切，裁切至与瓦楞下模具7具有相同宽度，长度为瓦楞下模具7长度的4/3；针对弯曲与面外压缩承载环境，优选0°/90°正交铺层。
步骤三，在瓦楞下模具7表面均匀喷涂耐高温脱模剂，形成20μm脱模剂层，然后在截面为等腰直角三角形的贯穿槽26中铺设与步骤一中制备预浸料选用的相同聚醚醚酮树脂粉末及多壁碳纳米管并压实，粉末直径优选13.0μm(1000目)；将按铺层顺序堆叠好的预浸料两端采用聚四氟乙烯脱模胶带封边，铺设于瓦楞上模具6和瓦楞下模具7之间，将其整体置于平板模压机5内部，设定温度目标为380℃。
步骤四，待平板模压机5反馈内部实时温度达到树脂的成型加工温度窗口时，设置平板下压速率为1mm/min并按下合模开关；待模具完全合模后，设定温度目标为热塑性树脂的模压加工温度窗口，优选加工窗口为390℃；待温度达到设定值后，保持模压压力与温度25min；关闭加热开关，打开冷却水循环泵8开关，设置冷却水流量为12L/min，控制冷却速率为60℃/min降温，待温度降至143℃以下时，关闭压力开关；待冷却至室温后取出瓦楞板试样。
步骤五，将制备得到瓦楞板通过水切割裁切为蜂窝芯所需30mm的窄带；将窄带具有第一能量导向结构35的一侧面朝下依次堆叠在焊接底模12的六棱柱芯棒15与半六边形焊接头14之间，设置第一超声波振动发生器11的振幅20μm、压力0.5MPa、振动时间2500ms、延迟时间5s、功率1800W，推拉快速夹钳30并启动发生器，焊头下压完成蜂窝芯的结点超声连接；移动瓦楞板其他待连接结点至焊接区，重复上述过程完成预定不同尺寸蜂窝芯的制造。
步骤六，将步骤五得到的蜂窝芯切割至500×500×25mm；将步骤一得到的预浸料裁切至相同长度和宽度尺寸，依据铺层堆叠在具有等腰直角三角形截面槽的平板模具中升温至385℃，然后在等腰直角三角形截面槽中按照步骤3相同的工艺铺设树脂粉末，模压后得到一面具有第二能量导向结构38的连续纤维增强热塑性复合材料面板，将得到的面板置于蜂窝芯37上端面，对齐后置于焊接夹层底模19中；设置第二超声波振动发生器13的振幅20μm、压力0.5MPa、振动时间2500ms、延迟时间5s、功率1800W，推拉焊接夹持头20完成结构固定并启动发生器，焊头下压完成蜂窝夹层结构的局部连接，移动焊接夹层底模19，重复上述过程完成一侧面板的连接；180°反转结构后将下面板置于蜂窝芯上端面，重复上述过程完成另一侧面板的连接，得到连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构。
实施例2
一种列车蒙皮用连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料蜂窝夹层结构，其制备方法如下：
步骤一，采用聚丙烯树脂膜与E级玻璃纤维增强体复合制备单向预浸料，纤维体积分数控制在50％，树脂质量含量控制在45％。
步骤二，将步骤一得到的连续纤维热塑性预浸料根据蜂窝服役特征进行不同铺层角度的裁切，裁切至与瓦楞下模具7具有相同宽度，长度为瓦楞下模具7长度的4/3；针对面内剪切与压缩承载环境，优选0°/±45°/90°准各向同性铺层。
步骤三，在瓦楞下模具7表面均匀喷涂耐高温脱模剂，形成20μm脱模剂层，然后在截面为等腰直角三角形的贯穿槽26中铺设与步骤一中制备预浸料选用的相同聚丙烯树脂粉末并压实，粉末直径优选29.9μm(500目)；将按铺层顺序堆叠好的预浸料两端采用聚四氟乙烯脱模胶带封边，铺设于瓦楞上模具6和瓦楞下模具7之间，将其整体置于平板模压机5内部，设定温度目标为170℃。
步骤四，待平板模压机5反馈内部实时温度达到树脂的成型加工温度窗口时，设置平板下压速率为1mm/min并按下合模开关；待模具完全合模后，设定温度目标为热塑性树脂的模压加工温度窗口，优选加工窗口为185℃；待温度达到设定值后，保持模压压力与温度5min；关闭加热开关，打开冷却水循环泵8开关，设置冷却水流量为5L/min，控制冷却速率为10℃/min降温，待温度降至70℃以下时，关闭压力开关；待冷却至室温后取出瓦楞板试样。
步骤五，将制备得到瓦楞板通过水切割裁切为蜂窝芯所需10mm的窄带；将窄带具有第一能量导向结构35的一侧面朝下依次堆叠在焊接底模12的六棱柱芯棒15与半六边形焊接头14之间，设置第一超声波振动发生器11的振幅15μm、压力0.2MPa、振动时间300ms、延迟时间1s、功率800W，推拉快速夹钳30并启动发生器，焊头下压完成蜂窝芯的结点超声连接；移动瓦楞板其他待连接结点至焊接区，重复上述过程完成蜂窝芯的制造。
步骤六，将步骤五得到的蜂窝芯切割至300×300×25mm；将步骤一得到的预浸料裁切至相同长度和宽度尺寸，依据铺层堆叠在平板模压机5中升温至模压加工温度窗口，采用与步骤四相同的模压工艺参数制备夹层结构上面板36与下面板39；将得到的面板置于蜂窝芯37上端面，对齐后置于焊接夹层底模19中；设置第二超声波振动发生器13的振幅15μm、压力0.2MPa、振动时间300ms、延迟时间1s、功率800W，推拉焊接夹持头20完成结构固定并启动发生器，焊头下压完成蜂窝夹层结构的局部连接，移动焊接夹层底模19，重复上述过程完成一侧面板的连接；180°反转结构后将另一面板置于蜂窝芯上端面，重复上述过程完成另一侧面板的连接，得到连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构。
实施例3—性能测试
将实施例1和实施例2制备的连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构的力学性能进行测试，并与普通金属蜂窝芯进行对比。结果见表4.
表4实施例蜂窝性能测试结果
技术指标 实施例1 实施例2 传统铝蜂窝
蜂窝密度/kg/m3 133.90 100.68 54.29
平面压缩强度/MPa 11.73 4.81 1.19
平面压缩比强度/N·m/kg 87602.08 47775.16 22100.18
由表4可知，本发明实施例所制备的蜂窝夹层结构的力学性能显著优于传统铝蜂窝。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构，其特征在于，
包括上面板、蜂窝芯和下面板；
所述蜂窝芯通过将连续纤维增强热塑性树脂单向预浸料制成的瓦楞板进行焊接而成；
所述上面板和下面板均由连续纤维增强热塑性树脂单向预浸料模压制成；
所述上面板、蜂窝芯和下面板所应用的树脂种类相同。
2.一种连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构的制备装置，其特征在于，
包括瓦楞板模压装置(1)、蜂窝芯超声连接装置(2)和夹层结构面芯超声连接装置(3)和传送装置(4)；
所述瓦楞板模压装置(1)用于将连续纤维增强热塑性树脂单向预浸料制成瓦楞板，所述蜂窝芯超声连接装置(2)用于将瓦楞板焊接成蜂窝芯，所述夹层结构面芯超声连接装置(3)用于将上面板、蜂窝芯和下面板焊接得到连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构；所述传送装置(4)用于各装置间的自动传送。
3.根据权利要求2所述的制备装置，其特征在于，
所述瓦楞板模压装置(1)包括平板模压机(5)、瓦楞上模具(6)和瓦楞下模具(7)；
所述瓦楞上模具(6)和瓦楞下模具(7)焊接面均设置间隔设置的凹槽和凸起，所述凹槽和凸起的横截面均呈半正六边形结构；
所述瓦楞上模具(6)可拆卸安装在平板模压机(5)的上压板下方，瓦楞下模具(7)可拆卸安装在平板模压机(5)的下压板上方；
所述瓦楞下模具(7)的凹槽底面设置有横截面为三角形的贯穿槽(26)，所述贯穿槽(26)的长度与瓦楞下模具(7)中凹槽的长度一致。
4.根据权利要求2所述的制备装置，其特征在于，
所述瓦楞板模压装置(1)还包括冷却装置，所述冷却装置包括冷却水循环泵(8)和水流导管(9)，所述平板模压机(5)的上压板和下压板中均设置有冷却水道(10)，所述冷却水道(10)通过水流导管(9)与冷却水循环泵(8)连接。
5.根据权利要求2所述的制备装置，其特征在于，
所述蜂窝芯超声连接装置(2)包括第一超声波振动发生器(11)、焊接底模(12)和半六边形焊接头(14)，半六边形焊接头(14)固定安装在第一超声波振动发生器(11)下方，半六边形焊接头(14)的宽度与蜂窝芯的高度一致；
所述焊接底模(12)侧壁设置有若干六棱柱芯孔组合，每个六棱柱芯孔组合包括三个六棱柱芯孔(16)，其中，两个六棱柱芯孔(16)对称分布在一个六棱柱芯孔(16)下部两侧；相邻两六棱柱芯孔组合之间的距离与六棱柱芯孔(16)截面边长一致；
所述六棱柱芯孔(16)内设置有六棱柱芯棒(15)，六棱柱芯棒(15)伸出孔外的长度与蜂窝芯的高度一致，六棱柱芯棒(15)伸出孔外的部分与半六边形焊接头(14)上下位置对应。
6.根据权利要求5所述的制备装置，其特征在于，
所述六棱柱芯棒(15)通过固定螺栓(29)固定在六棱柱芯孔(16)内部；
所述焊接底模(12)顶部设置有与六棱柱芯孔(16)数量一致的垂直螺纹孔(28)，所述垂直螺纹孔(28)与六棱柱芯孔(16)连通，通过将固定螺栓(29)旋入垂直螺纹孔(28)内，并对六棱柱芯棒(15)产生压力，实现六棱柱芯棒(15)的固定。
7.根据权利要求2所述的制备装置，其特征在于，
所述蜂窝芯超声连接装置(2)还包括快速夹钳(30)和硅橡胶挡块(31)；
所述快速夹钳(30)固定安装在焊接底模(12)顶部，所述硅橡胶挡块(31)与快速夹钳(30)的压把横杆(32)固定连接；
所述硅橡胶挡块(31)分布在六棱柱芯棒(15)外侧，在蜂窝芯焊接过程中阻挡其向外移动，当蜂窝芯焊接完成后，硅橡胶挡块(31)在快速夹钳(30)的带动下向上转动，将蜂窝芯取出。
8.根据权利要求2所述的制备装置，其特征在于，
所述夹层结构面芯超声连接装置(3)包括第二超声波振动发生器(13)、焊接夹层底模(19)、平面纵向振动焊接头(21)和固定装置；
所述平面纵向振动焊接头(21)与第二超声波振动发生器(13)固定连接，分布在第二超声波振动发生器(13)下方，焊接夹层底模(19)设置在平面纵向振动焊接头(21)下方；
所述固定装置设置在焊接夹层底模(19)上，用于焊接过程中夹层结构的固定。
9.根据权利要求8所述的制备装置，其特征在于，
所述固定装置包括焊接夹持头(20)和硅橡胶夹头(34)，所述焊接夹持头(20)与焊接夹层底模(19)固定连接；所述硅橡胶夹头(34)安装在焊接夹持头(20)上，在焊接夹持头(20)的带动下对夹层结构产生压力而使其固定。
10.一种连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用热塑性树脂膜与连续纤维增强体制备连续纤维增强热塑性树脂单向预浸料；
S2、将步骤S1制备的预浸料根据蜂窝服役特征进行裁切并堆叠，随后在堆叠好的预浸料两端采用聚四氟乙烯脱模胶带封边；在瓦楞下模具(7)表面均匀喷涂耐高温脱模剂，形成脱模剂层，然后在贯穿槽(26)中铺设与制备预浸料的树脂种类一致的树脂粉末并压实，形成第一能量导向结构(35)；将封边后的预浸料铺设于瓦楞上模具(6)和瓦楞下模具(7)之间，进行模压，得到预浸料瓦楞板；
S3、将制备得到瓦楞板裁切为窄带，窄带的宽度与蜂窝芯高度一致；将瓦楞板窄带具有第一能量导向结构(35)的一面朝下依次堆叠在六棱柱芯棒(15)与半六边形焊接头(14)之间，推拉快速夹钳(30)并启动第一超声波振动发生器(11)，半六边形焊接头(14)下压完成蜂窝芯的结点超声连接；移动瓦楞板其他待连接结点至焊接区，重复上述过程得到蜂窝芯(37)；
S4、将步骤S1制备的预浸料根据蜂窝服役特征进行裁切并堆叠；在下压板表面三角形截面槽中铺设与制备预浸料的树脂种类一致的树脂粉末并压实，形成第二能量导向结构(38)，随后将裁切堆叠后的预浸料铺设于平板模压机的上下压板之间进行模压，得到上面板(36)和下面板(39)；
S5、将S3得到的蜂窝芯切割，将步骤S4制备的上面板(36)和下面板(39)裁切至与蜂窝芯(37)相同尺寸；将上面板(36)具有第二能量导向结构(38)的一面朝下置于蜂窝芯(37)上端面，对齐后置于焊接夹层底模(19)中，推拉焊接夹持头(20)完成结构固定并启动第二超声波振动发生器(13)，平面纵向振动焊接头(21)下压，完成上面板(36)与蜂窝芯(37)的连接；将焊接后结构翻转180°，重复上述过程完成下面板(39)与蜂窝芯(37)的连接，得到连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝夹层结构。
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