CN116852814A - 轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的整体化制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的整体化制备方法，包括：步骤一、将铝合金粉或铝粉、SiC粉、Mg粉、TiH2粉作为芯层原材料，按照配比进行称重和混合；骤二、将第一层压板放入压制模具腔内底部位置，并将得到的芯层材料混合物均匀的涂覆在第一层压板的上表面上作为芯层，将第二层压板放置在芯层的表面，进行压制；步骤三、将三明治复合结构预制坯放进发泡成型模具中，并将其整体放入加热箱中进行加热，加热结束后进行保温；步骤四、保温结束后，对发泡成型模具整体进行降温，降温结束后进行再次保温，在保温的同时施加压力对在模具中的预制坯进行压制，得到三明治板成品。

Description

轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的整体化制备方法
技术领域
本发明涉及一种轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的整体化制备方法，属于复合材料制备技术领域。
背景技术
近些年来，随着航天航空，车辆交通和传统机械等各个领域的快速发展，结构轻量化、结构功能一体化成为各个行业发展的必然趋势，其中，轻质夹层三明治复合结构是实现结构轻量化的有效手段之一。
三明治复合结构是通过在质量轻且有一定厚度的芯材上下两侧贴上两层坚固且薄的抗拉面板所组成。三明治复合结构在承受弯曲载荷时表现优异，其面板主要承受平面拉伸和压缩载荷，其芯材主要承受剪切载荷，结构的不同位置承受不同的载荷有利于对抗复杂性的应力状态。如果上下板面的距离设置加大时，结构会拥有更大比例的刚度，这样就提供了一个总体轻质又具有比刚度高的复合结构。
三明治结构的芯材一般采用泡沫芯材和蜂窝芯材，使用过程中具有蜂窝芯材的结构存在些缺陷，比如蜂窝和面板的粘接面积较小，导致长期工作环境下需求抗疲劳性能不能够满足。相比之下，具有泡沫芯的三明治结构能有很好的抗疲劳性外，还具有比强度高、比刚度高、减震吸能、吸声隔音、导热性优良的特点。常见的泡沫芯材有EPS、EPP、EPE、EPE、PS、PU、PVC、SAN、PMI、PET、PEI、PF泡沫、轻木泡沫、泡沫铝等。常见的三明治复合结构的面板有钢板、钛板、铝板、镍板、玻璃纤维增强热固性板、玻璃纤维增强热塑性板、碳纤维增强热固性板、碳纤维增强热塑性板、芳纶纤维增强热固性板，芳纶纤维增强热塑性板等。
对于航空航天、车辆交通和机械等领域的板材材料，除了轻量化要求，耐高温、阻燃性等性能也是非常重要的指标。对于常规的泡沫芯材中只有金属基泡沫铝芯材是同时具有轻质和耐高温两个特性的材料。然而一般以泡沫铝为芯材的三明治结构都是以致密金属板(如钢板、钛板、铝板、镍板等)为面板，虽然可以耐高温，但是由于面板的金属密度过大，导致整体结构重量过重，无法实现轻质的目标。
通常纤维材料(玻纤、碳纤、芳纶纤维和金属纤维等)对温度并不敏感，在高温下依然能保持基本的力学性能不变。而对于常用的大部分热固性复合材料的熔点温度较低，如环氧树脂玻璃态转化温度(Tg)为80℃、熔点(Tm)为120℃，另外一个缺点是热固性材料熔化后，其交联结构被破坏，则导致材料无法重塑。相比于热固性材料，热塑性材料有一个可以被重复加热的优点，即熔化后还可以重塑。但是常见的热塑性材料也不能在的温度太高的环境下长时间工作，如聚苯乙烯Tg＝63℃和Tm＝120℃，聚酰胺Tg＝59℃和Tm＝240℃，聚醚醚酮Tg＝143℃和Tm＝280℃。
目前，制备芯层材料为泡沫铝材料，面板材料为纤维增强热固/热塑性层合板材料的三明治复合结构的主要方法为胶接或焊接。然而该方法需要单独的接触界面粘接工艺环节，且存在最大的问题是界面胶层不耐高温，在高温下长时间工作容易老化。
有鉴于此，确有必要提出一种能够在高温环境下长时间工作的轻质耐高温的三明治复合结构板，同时还要可以实现制备工艺流程的整体化，缩短其制备的流程，减少多余的工艺环节。
发明内容
本发明设计开发了一种轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的整体化制备方法，将泡沫芯层和上下层压板之间的界面通过热压实现粘流态下的聚酰亚胺树脂作为高温结构胶水粘接在一起，得到的三明治板，质量轻、力学性能好。
本发明提供的技术方案为：
轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的整体化制备方法，包括：
步骤一、将铝合金粉或铝粉、SiC粉、Mg粉、TiH2粉作为芯层原材料，并对SiC粉、Mg粉和Ti H2粉表面进行氧化处理后按照配比进行称重和混合，得到芯层材料混合物；
步骤二、将第一层压板放入压制模具腔内底部位置，并将得到的芯层材料混合物均匀的涂覆在第一层压板的上表面上作为芯层，并将第二层压板放置在芯层的表面，进行压制，得到三明治复合结构预制坯；
步骤三、将三明治复合结构预制坯放进发泡成型模具中，并将其整体放入加热箱中进行加热，加热结束后进行保温；
步骤四、保温结束后，对发泡成型模具整体进行降温，降温结束后进行再次保温，在保温的同时施加压力对在模具中的预制坯进行压制，压制结束后，冷却至室温，移除成型模具，得到三明治板成品。
优选的是，所述步骤一包括：
所述SiC粉、所述Mg粉、所述TiH2粉的质量分别为铝合金粉或铝粉质量的2～8％，0.5～1.0％和1.0～1.8％。
优选的是，所述铝合金粉或铝粉、所述SiC粉、所述Mg粉、所述TiH2粉的粒度分别为40～75μm，15～85μm，23～54μm和40～84μm。
优选的是，所述步骤一中，
对SiC粉的氧化处理温度为850～980℃，保温时间为2.5～5.5h；
对Mg粉的氧化处理温度为500～600℃，保温时间为4～6h；
对TiH2粉的氧化处理温度为380～500℃，保温时间为4～10h。
优选的是，
所述混合可采用手动混合或球磨机混合；
手动混合的时间25～35min；
球磨机混合时间为1.5～2.5h，料球比例为2:1～3:1，转速为80～100r/min。
优选的是，所述第一层压板和所述第二层压板为纤维增强聚酰亚胺热塑性层合板，纤维质量占层合板总质量的60～80％，所述第一层压板和所述第二层压板的厚度为0.5～2mm。
优选的是，所述步骤二中，所述压制过程包括：
冷压，温度为室温，压制工艺为单轴压制或双轴压制，压力为350～450MPa，保压时间8～15min；
热压，温度为200～300℃，压制工艺为单轴压制或双轴压制，压力为200～300MPa，保压时间20～28min。
优选的是，所述步骤三中，加热温度为580～610℃，保温发泡时间为10～15min，所述步骤四中，降温的温度为350～420℃，施加压力为1～5MPa，保温保压定型时间为10～20min。
优选的是，
所述发泡成型模具的腔内高度可调节，在放入预制坯前，在所述发泡成型模具的上下表面刷上脱胶剂。
优选的是，
所述步骤二中，芯层材料混合物采用冲压头或震动方式进行涂覆；
所述步骤四中，所述降温方法为自然冷却、水雾冷却或风冷中的一种。
本发明所述的有益效果
1、本发明所述的整体化制备方法不需要单独的胶接或焊接工艺步骤，工艺流程简化容易实现规模化生产。
2、本发明所述的耐高温纤维增强热塑性复合材料三明治板，其泡沫芯层和面板之间的界面通过粘流态下的聚酰亚胺树脂作为高温结构胶水粘接在一起。相比于常规的粘接胶水，所述的高温结构胶水可使得粘接界面在高温工作环境下长时间工作而不容易老化。
3、本发明可制备可变厚度的三明治板，通过调整发泡成型模具的空腔高度来制备不同厚度的三明治板。
4、本发明的三明治板，其面板的热塑性材料和芯层的泡沫铝材料都是可回收性材料，可重复使用，有利于环境保护。
5、本发明制得的耐高温纤维增强热塑性复合材料三明治板，质量轻，具有良好的力学性能，面板和芯层材料在高温环境下材料性能依然保持稳定，抗冲击和抗弯性能好，适合制备成承受冲击载荷和弯曲应力的构件。
附图说明
图1为本发明所述的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的整体制备方法的工艺流程图。
图2为本发明所述的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-2所示，本发明提供一种轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的整体化制备方法，包括：
步骤一、将铝合金粉或铝粉、SiC粉、Mg粉、TiH2粉作为芯层原材料，并对SiC粉、Mg粉和Ti H2粉表面进行氧化处理后按照配比进行称重和混合，得到芯层材料混合物；
其中，SiC粉、Mg粉、TiH2粉的质量分别为铝合金粉或铝粉质量的2～8％，0.5～1.0％和1.0～1.8％；
铝合金粉或铝粉、SiC粉、Mg粉、TiH2粉的粒度分别为40～75μm，15～85μm，23～54μm和40～84μm；
对SiC粉的氧化处理温度为850～980℃，保温时间为2.5～5.5h；
对Mg粉的氧化处理温度为500～600℃，保温时间为4～6h；
对TiH2粉的氧化处理温度为380～500℃，保温时间为4～10h；
混合过程可以采用手动混合或球磨机混合；
手动混合的时间25～35min；
球磨机混合时间为1.5～2.5h，料球比例为2:1～3:1，转速为80～100r/min。
在本发明中，作为一种优选，选用铝合金分或纯金属粉作为芯层物料，选用SiC粉、Mg粉和TiH2粉作为添加剂。
芯层原料中加入SiC粉的作用是增加发泡过程中泡沫铝芯层的机械强度，加入镁粉的作用是调整发泡过程中铝溶体的表面张力以达到控制芯层厚度的作用，加入TiH2粉的作用是为发泡过程提供气体来源。
步骤二、将第一层压板放入压制模具腔内底部位置，并将得到的芯层材料混合物均匀的涂覆在第一层压板的上表面上作为芯层，并将第二层压板放置在芯层的表面，进行压制，得到三明治复合结构预制坯；
在本发明中，作为一种优选，第一层压板和第二层压板选用纤维增强聚酰亚胺热塑性层合板，纤维质量占层合板总质量的60～80％，第一层压板和第二层压板的厚度为0.5～2mm；
芯层混合物料均匀铺开的方法可采用冲压头将粉末压平或采用震动方式将粉末散开；
压制方式选用冷压或热压；
冷压，温度为室温，压制工艺为单轴压制或双轴压制，压力为350～450MPa，保压时间8～15min；
热压，温度为200～300℃，压制工艺为单轴压制或双轴压制，压力为200～300MPa，保压时间20～28min。
在本发明中，作为一种优选选用一层芯层的三明治结构；
在另一实施例中，选用两层芯层或多层芯层的三明治结构。
步骤三、将三明治复合结构预制坯放进发泡成型模具中，并将其整体放入加热箱中进行加热，加热温度为580～610℃，加热结束后进行保温，保温发泡时间为10～15min；
其中，发泡成型模具的腔内高度可调节，在放入预制坯前，在发泡成型模具的上下表面刷上脱胶剂，以防止成型后三明治板的上下面板粘连在发泡成型模具的上下表面上；
保温到泡沫铝芯层发泡膨胀至三明治结构第一层压板和第二层压板与模具腔上下壁完全接触，加热保温过程中，泡沫铝芯层会发泡，且热塑性的第一层压板和第二层压板从玻璃态转化成粘流态，粘流态下的聚酰亚胺树脂作为高温结构胶水粘接泡沫铝芯层和上下表面层合板的接触界面，如图2所示；
步骤四、保温结束后，对发泡成型模具整体进行降温，降温的温度为350～420℃，降温结束后进行再次保温，在保温的同时施加压力对在模具中的预制坯进行压制，施加压力为1～5MPa，保温保压定型时间为10～20min，压制结束后，冷却至室温，移除成型模具，得到三明治板成品。
其中，降温方法为自然冷却、水雾冷却或风冷中的一种。
如图2所示，三明治成品包括：第一层压板和第二层压板1、胶层2和芯层3。
本方法首先配比三明治复合结构泡沫铝芯层的原料，并充分均匀混合，制成芯层混合物料。接着准备耐高温型热塑性聚酰亚胺树脂为基体制成的纤维增强层压板，该树脂的玻璃化转化温度为350℃、溶解温度为460℃、分解温度为650℃。然后将所述的层压板作为三明治复合结构的上面板和下面板，将下面板置于压制成型模具的型腔内，并在其上表面均匀铺设芯层混合物料，随后将上面板放置在芯层混合物料的上面，进行压制，制得三明治复合结构预制坯。随后将所述的预制坯放进发泡成型模具中，加热到一定温度，在该温度下泡沫铝芯层会加热发泡，同时热塑性的上下面板会从玻璃态转化为粘流态，粘流态下的聚酰亚胺树脂作为高温结构胶水粘接芯层和上下面板的接触界面，该高温胶相比于普通的粘胶剂可在高温下长时间保持性能不变。随后在进行降温保温，使得热塑性树脂再固化，进而上下面板再重塑，再降温到室温，得到轻质耐高温纤维增强热塑性复合材料三明治板。
上面所述的三明治面板层由热塑性聚酰亚胺树脂和纤维织物固化而得，针织物的形式是短切毡、连续毡、针刺毡、方格布、经编布、单向布、多轴布、缝编复合毡、夹芯缝编复合毡中的一种，形成织物的纤维是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维、硼纤维和金属类纤维中的一种或两种及多种的组成。
在本发明中，作为一种优选，纤增强聚酰亚胺热塑性层合板，使用在先申请专利CN114131785A“一种耐高温热塑性复合材料单向预浸带的制备方法”(申请号202111404317.8)公开的方法制得的，制备方式首先要通过配置树脂溶液，纤维浸渍，沉析，烘干，高温定型等流程制作成预浸带，然后将得到的预浸带通过模压成型方式制备成所需厚度的纤增强聚酰亚胺热塑性层合板。
实施例1
步骤1、备料
配比泡沫铝芯层的原料并称重和混合；
其中，芯层基本原料为铝硅铜合金粉(Al-8wt.％Si-3wt.％Cu)，SiC粉的比例为铝合金粉质量的2％，加入镁粉的比例为铝合金粉质量的0.5％，加入TiH2的比例为铝合金粉质量的1.8％，铝合金粉的颗粒度为40μm，SiC粉的颗粒度为15μm，镁粉的颗粒度为23μm和TiH2粉的颗粒度为40μm；
将SiC粉预先进行氧化处理，在850℃氧化处理5.5h，将Mg粉预先进行氧化处理，在500℃氧化处理6h，将TiH2粉预先进行氧化处理，在380℃氧化处理10h；
将称重的芯层物料放入滚筒式混料机内，料球比例为2:1，混合时间为2.5h，转速100r/min，得到40g混合均匀的芯层物料；
步骤2、制备三明治复合结构预制坯
所述的上下面板为纤维增强聚酰亚胺热塑性层合板，面板的尺寸为40mm×40mm，增强纤维质量分数为60％，厚度为0.5mm；
将下面板放入压制模具腔内的，随后将均匀混合的芯层物料通过震动的方式将粉末均匀的散落在下面板上，随后再将所述的上面板放置于芯层混合物料的上层，在室温下进行冷压单轴压制，压力为350MPa，保压时间为15min，得到致密的三明治复合结构预制坯；
步骤3、在发泡成型模具的上下表面刷上脱胶剂，以防止成型三明治板的上下面板粘在发泡成型模具的上下表面上，调节空腔高度为20.5mm并固定；
将三明治复合结构预制坯放进发泡成型模具中，闭合模具，然后使用箱式加热炉给发泡成型模具加热到至580℃，保温时间15min，此时压制的泡沫铝芯层发泡，膨胀至三明治复合结构的上下面板与发泡成型模具的腔上下壁完全接触，同时三明治复合结构上下的纤维增强聚酰亚胺热塑性面板从玻璃态转化为粘流态，粘流态下的聚酰亚胺树脂作为高温结构胶粘接泡沫铝芯层和三明治复合结构的上下面板的接触界面；
步骤4、结构定型
降温成型模具至420℃，并在成型模具上表面施加5MPa压力，压至成型模具高度为20mm并固定，保温保压时间为10min，该过程中三明治复合结构的上下面板从粘流态转化为玻璃态，并且使得三明治复合结构定型；
降温至室温，移除成型模具，得到芯层厚度为18mm，总厚度20mm的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板。
对本实施例制得的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板进行弯曲力学性能测试，按照ASTM D790-17标准进行测试，测得三明治板弯曲模量为2870MPa，弯曲强度为41.5MPa。
实施例2
步骤1、备料
配比泡沫铝芯层的原料并称重和混合；
其中，芯层基本原料为铝粉，SiC粉的比例为铝粉质量的8％，加入镁粉的比例为铝粉质量的1.0％，加入TiH2的比例为铝粉质量的1.8％，铝粉的颗粒度为75μm，SiC粉的颗粒度为85μm，镁粉的颗粒度为54μm和TiH2粉的颗粒度为84μm；
将SiC粉预先进行氧化处理，在980℃氧化处理2.5h，将Mg粉预先进行氧化处理，在600℃氧化处理4h，将TiH2粉预先进行氧化处理，在500℃氧化处理4h；
将称重的芯层物料放入滚筒式混料机内，料球比例为3:1，混合时间为1.5h，转速80r/min，得到50g混合均匀的芯层物料；
步骤2、制备三明治复合结构预制坯
所述的上下面板为纤维增强聚酰亚胺热塑性层合板，面板的尺寸为50mm×50mm，增强纤维质量分数为80％，厚度为2mm；
将下面板放入压制模具腔内的，随后将均匀混合的芯层物料通过震动的方式将粉末均匀的散落在下面板上，随后再将所述的上面板放置于芯层混合物料的上层，在室温下进行冷压单轴压制，压力为450MPa，保压时间为8min，得到致密的三明治复合结构预制坯；
步骤3、在发泡成型模具的上下表面刷上脱胶剂，以防止成型三明治板的上下面板粘在发泡成型模具的上下表面上，调节空腔高度为25.7mm并固定；
将三明治复合结构预制坯放进发泡成型模具中，闭合模具，然后使用箱式加热炉给发泡成型模具加热到至610℃，保温时间10min，此时压制的泡沫铝芯层发泡，膨胀至三明治复合结构的上下面板与发泡成型模具的腔上下壁完全接触，同时三明治复合结构上下的纤维增强聚酰亚胺热塑性面板从玻璃态转化为粘流态，粘流态下的聚酰亚胺树脂作为高温结构胶粘接泡沫铝芯层和三明治复合结构的上下面板的接触界面；
步骤4、结构定型
降温成型模具至350℃，并在成型模具上表面施加1MPa压力，压至成型模具高度为25mm并固定，保温保压时间为20min，该过程中三明治复合结构的上下面板从粘流态转化为玻璃态，并且使得三明治复合结构定型；
降温至室温，移除成型模具，得到芯层厚度为22mm，总厚度25mm的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板。
对本实施例制得的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板进行弯曲力学性能测试，按照ASTM D790-17标准进行测试，测得三明治板弯曲模量为3150MPa，弯曲强度为42.6MPa。
实施例3
步骤1、备料
配比泡沫铝芯层的原料并称重和混合；
其中，芯层基本原料为铝粉，SiC粉的比例为铝粉质量的4％，加入镁粉的比例为铝粉质量的0.7％，加入TiH2的比例为铝粉质量的1.3％，铝粉的颗粒度为50μm，SiC粉的颗粒度为25μm，镁粉的颗粒度为30μm和TiH2粉的颗粒度为53μm；
将SiC粉预先进行氧化处理，在900℃氧化处理3h，将Mg粉预先进行氧化处理，在520℃氧化处理4.5h，将TiH2粉预先进行氧化处理，在420℃氧化处理6h；
将称重的芯层物料放入滚筒式混料机内，料球比例为2.5:1，混合时间为1.8h，转速85r/min，得到60g混合均匀的芯层物料；
步骤2、制备三明治复合结构预制坯
所述的上下面板为纤维增强聚酰亚胺热塑性层合板，面板的尺寸为45mm×45mm，增强纤维质量分数为70％，厚度为1.2mm；
将下面板放入压制模具腔内的，随后将均匀混合的芯层物料通过冲压头将粉末均匀压平在下面板上，随后再将所述的上面板放置于芯层混合物料的上层，在室温下进行热压单轴压制，温度为200℃，压力为200MPa，保压时间为28min，然后降温至室温，得到致密的三明治复合结构预制坯；
步骤3、在发泡成型模具的上下表面刷上脱胶剂，以防止成型三明治板的上下面板粘在发泡成型模具的上下表面上，调节空腔高度为30.8mm并固定；
将三明治复合结构预制坯放进发泡成型模具中，闭合模具，然后使用箱式加热炉给发泡成型模具加热到至590℃，保温时间12min，此时压制的泡沫铝芯层发泡，膨胀至三明治复合结构的上下面板与发泡成型模具的腔上下壁完全接触，同时三明治复合结构上下的纤维增强聚酰亚胺热塑性面板从玻璃态转化为粘流态，粘流态下的聚酰亚胺树脂作为高温结构胶粘接泡沫铝芯层和三明治复合结构的上下面板的接触界面；
步骤4、结构定型
降温成型模具至380℃，并在成型模具上表面施加2.5MPa压力，压至成型模具高度为30mm并固定，保温保压时间为14min，该过程中三明治复合结构的上下面板从粘流态转化为玻璃态，并且使得三明治复合结构定型；
降温至室温，移除成型模具，得到芯层厚度为26mm，总厚度30mm的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板。
对本实施例制得的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板进行弯曲力学性能测试，按照ASTM D790-17标准进行测试，测得三明治板弯曲模量为3350MPa，弯曲强度为44.8MPa。
实施例4
步骤1、备料
配比泡沫铝芯层的原料并称重和混合；
其中，芯层基本原料为铝硅合金粉(Al-12wt.％Si)，SiC粉的比例为铝合金粉质量的6％，加入镁粉的比例为铝合金粉质量的0.9％，加入TiH2的比例为铝合金粉质量的1.6％，铝合金粉的颗粒度为68μm，SiC粉的颗粒度为78μm，镁粉的颗粒度为50μm和TiH2粉的颗粒度为82μm；
将SiC粉预先进行氧化处理，在960℃氧化处理5h，将Mg粉预先进行氧化处理，在550℃氧化处理5.5h，将TiH2粉预先进行氧化处理，在480℃氧化处理8h；
将称重的芯层物料放入滚筒式混料机内，料球比例为2:1，混合时间为2.3h，转速90r/min，得到45g混合均匀的芯层物料；
步骤2、制备三明治复合结构预制坯
所述的上下面板为纤维增强聚酰亚胺热塑性层合板，面板的尺寸为60mm×40mm，增强纤维质量分数为75％，厚度为1.8mm；
将下面板放入压制模具腔内的，随后将均匀混合的芯层物料通过冲压头将粉末均匀压平在下面板上，随后再将所述的上面板放置于芯层混合物料的上层，在室温下进行热压双轴压制，温度为300℃，压力为300MPa，保压时间为28min，得到致密的三明治复合结构预制坯；
步骤3、在发泡成型模具的上下表面刷上脱胶剂，以防止成型三明治板的上下面板粘在发泡成型模具的上下表面上，调节空腔高度为23.5mm并固定；
将三明治复合结构预制坯放进发泡成型模具中，闭合模具，然后使用箱式加热炉给发泡成型模具加热到至600℃，保温时间14min，此时压制的泡沫铝芯层发泡，膨胀至三明治复合结构的上下面板与发泡成型模具的腔上下壁完全接触，同时三明治复合结构上下的纤维增强聚酰亚胺热塑性面板从玻璃态转化为粘流态，粘流态下的聚酰亚胺树脂作为高温结构胶粘接泡沫铝芯层和三明治复合结构的上下面板的接触界面；
步骤4、结构定型
降温成型模具至400℃，并在成型模具上表面施加4MPa压力，压至成型模具高度为23mm并固定，保温保压时间为18min，该过程中三明治复合结构的上下面板从粘流态转化为玻璃态，并且使得三明治复合结构定型；
降温至室温，移除成型模具，得到芯层厚度为21mm，总厚度23mm的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板。
对本实施例制得的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板进行弯曲力学性能测试，按照ASTM D790-17标准进行测试，测得三明治板弯曲模量为2945MPa，弯曲强度为43.6MPa。
对比例
与本发明提出的整体化制备方法相比，将传统实施例作为对比例，对比例的步骤简述如下：
步骤一：将铝合金粉或铝粉、SiC粉、Mg粉、TiH2粉作为芯层原材料，并对SiC粉、Mg粉和Ti H2粉表面进行氧化处理后按照配比进行称重和混合，得到芯层材料混合物；
步骤二、将得到的芯层材料混合物均匀的涂覆在压制模具腔内，进行压制，得到三明治复合结构的芯层预制坯；
步骤三、将三明治复合结构的芯层预制坯放进发泡成型模具中，并将其放入加热箱中进行加热发泡，加热发泡结束后进行保温然后降温得到芯层泡沫铝；
步骤四、使用高温结构胶水聚酰亚胺树脂将纤维增强热塑性上下面板和得到芯层泡沫铝进行粘接。
步骤五、由于聚酰亚胺树脂的固化温度在250℃～300℃，需要将步骤四得到的粘接的三明治板放进高温炉内进行高温固化，保温一段时间降到室温得到三明治板成品。
相比于本发明所提的整体化方案，传统实施例多出一个对面板和芯层进行粘接的步骤。另外步骤五中又加热了一次高温炉，而本发明中连续使用高温炉是节省了生产资源的消耗。
使用传统实施例的制作步骤方法，采用与实施例1中相同的数据参数制作三明治板作为对比例。
分别对实施例1～4和传统实施例制备得到的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板进行弯曲力学性能测试，按照ASTM D790-17标准进行测试，结果如表1所示
表1
弯曲模量/MPa 弯曲强度/MPa
实施例1 2870 41.5
实施例2 3150 42.6
实施例3 3350 44.8
实施例4 2945 43.6
对比例 2530 39.5
从表中可以看出，实施例1制得的三明治板的弯曲模量和弯曲强度都高于对比例制得的三明治板，说明本发明制得的三明治板不仅步骤简单，而且三明治板的机械力学性能更高。
本发明的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板，由两个纤维增强聚酰亚胺热塑性面板和泡沫铝芯层所组成，安全使用的工作温度不应超过330～350℃，本发明的三明治板具有良好的抗冲击和抗弯性能，适合制备成承受冲击载荷和弯曲应力的构件。
本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的整体化制备方法，其特征在于，包括：
步骤一、将铝合金粉或铝粉、SiC粉、Mg粉、TiH2粉作为芯层原材料，并对SiC粉、Mg粉和TiH2粉表面进行氧化处理后按照配比进行称重和混合，得到芯层材料混合物；
步骤二、将第一层压板放入压制模具腔内底部位置，并将得到的芯层材料混合物均匀的涂覆在第一层压板的上表面上作为芯层，并将第二层压板放置在芯层的表面，进行压制，得到三明治复合结构预制坯；
步骤三、将三明治复合结构预制坯放进发泡成型模具中，并将其整体放入加热箱中进行加热，加热结束后进行保温；
步骤四、保温结束后，对发泡成型模具整体进行降温，降温结束后进行再次保温，在保温的同时施加压力对在模具中的预制坯进行压制，压制结束后，冷却至室温，移除成型模具，得到三明治板成品。
2.根据权利要求1所述的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的整体化制备方法，其特征在于，所述步骤一包括：
所述SiC粉、所述Mg粉、所述TiH2粉的质量分别为铝合金粉或铝粉质量的2～8％，0.5～1.0％和1.0～1.8％。
3.根据权利要求2所述的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的整体化制备方法，其特征在于，所述铝合金粉或铝粉、所述SiC粉、所述Mg粉、所述TiH2粉的粒度分别为40～75μm，15～85μm，23～54μm和40～84μm。
4.根据权利要求1或3所述的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的整体化制备方法，其特征在于，所述步骤一中，
对SiC粉的氧化处理温度为850～980℃，保温时间为2.5～5.5h；
对Mg粉的氧化处理温度为500～600℃，保温时间为4～6h；
对TiH2粉的氧化处理温度为380～500℃，保温时间为4～10h。
5.根据权利要求4所述的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的整体化制备方法，其特征在于，
所述混合可采用手动混合或球磨机混合；
手动混合的时间25～35min；
球磨机混合时间为1.5～2.5h，料球比例为2:1～3:1，转速为80～100r/min。
6.根据权利要求5所述的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的整体化制备方法，其特征在于，所述第一层压板和所述第二层压板为纤维增强聚酰亚胺热塑性层合板，纤维质量占层合板总质量的60～80％，所述第一层压板和所述第二层压板的厚度为0.5～2mm。
7.根据权利要求6所述的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的整体化制备方法，其特征在于，所述步骤二中，所述压制过程包括：
冷压，温度为室温，压制工艺为单轴压制或双轴压制，压力为350～450MPa，保压时间8～15min；
热压，温度为200～300℃，压制工艺为单轴压制或双轴压制，压力为200～300MPa，保压时间20～28min。
8.根据权利要求7所述的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的整体化制备方法，其特征在于，所述步骤三中，加热温度为580～610℃，保温发泡时间为10～15min，所述步骤四中，降温的温度为350～420℃，施加压力为1～5MPa，保温保压定型时间为10～20min。
9.根据权利要求8所述的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的整体化制备方法，其特征在于，
所述发泡成型模具的腔内高度可调节，在放入预制坯前，在所述发泡成型模具的上下表面刷上脱胶剂。
10.根据权利要求8所述的轻质耐高温纤维增强热塑性三明治板的整体化制备方法，其特征在于，
所述步骤二中，芯层材料混合物采用冲压头或震动方式进行涂覆；
所述步骤四中，所述降温方法为自然冷却、水雾冷却或风冷中的一种。
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