CN117601508A - 一种适用于复杂曲面的柔性芳纶蜂窝芯及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适用于复杂曲面的柔性芳纶蜂窝芯，其柔性芳纶蜂窝芯包括多层芳纶纸相互黏连，所述的多层芳纶纸的单层芳纶纸折叠成截面依次相连互为颠倒的梯形单元结构，多组依次相连互为颠倒的梯形单元结构其形状如多个“乙”相连，所述的梯形单元结构上底为开口，依次相邻互为颠倒的梯形单元结构共用腰边；相邻两层芳纶纸形成多个间隔设置的截面为长边内嵌的矩形通孔。本发明的制造方法，包括S1固化物混合液制备，S2芳纶纸固化物混合液吸附，S3芳纶纸梯形单元结构固化，S4梯形单元结构芳纶纸脱模，S5涂胶热压，S6成型加工。本发明所制造的柔性芳纶蜂窝芯可以满足不同曲率的复杂曲面，满足±90度曲面应用。
Description
技术领域
本发明涉及复合高分子材料技术领域，尤其涉及一种适用航空飞行器复杂曲面的（非单曲面）柔性芳纶蜂窝芯及其制造方法。
背景技术
芳纶蜂窝芯是一种用芳纶纸叠合及粘接形成截面为正六边形的片状柱形体，由于它具有较好的比强度、比刚度、以及阻燃、透波等特点，被广泛用来作为飞行器各种夹芯复合材料结构中的芯材。
芳纶纸蜂窝作为结构芯材，一直广泛使用于航空领域。但在芳纶纸蜂窝芯的生产中，一直以来均是以正六边形截面为单元格型、酚醛树脂作为增强材料，原材料配方固定，蜂窝芯产品各项性能满足指定行业规范要求，而规范要求一直以来也是没有更新过，这些都是阻碍芳纶纸蜂窝芯性能更进一步提高的因素。
CN114919242 A公开了复杂曲面预浸芳纶蜂窝成型材料及制备方法，过采用柔性多角度可变形的预浸蜂窝进行复杂形状模具随型进行固化成型，然后再通过与预浸料在双曲面模具中进行一体化复合，来得到双曲面形状部件。该发明通过预浸蜂窝在复杂形状产品模具上进行随型铺设，按照树脂固化曲线成型，得到一种模具形状预成型蜂窝；按照蜂窝夹层结构 复合工艺对预浸料、胶膜、预成型蜂窝进行依次铺设，按照成型工艺进行复合成型，得到形状相对复杂的产品件。而现有航空航空飞行器、雷达其部件复杂曲面随不同型号，不同应用位置不同其曲面结构并不相同，如上述发明所提供的方法，需要根据不同航空飞行器不同应用位置的曲面定制不同的模具来获取对应曲面的蜂窝芯材料，同型号航空飞行器具有大量不同类型曲面结构，不同航空飞行器对应曲面也并不相同，因此上述发明仅限于获取限定结构与之匹配曲面芳纶蜂窝成型材料较为可行，否则生产成本、工序复杂程度会极大提升。
申请人2014年公开了CN203994889U一种双夹层结构大曲率芳纶蜂窝芯板,包括呈相同弧形的第一芳纶蜂窝板和第二芳纶蜂窝板，第一芳纶蜂窝板与第二芳纶蜂窝板之间设有一柔性隔离层，且所述的第一芳纶蜂窝板与该柔性隔离层采用高强环氧结构胶层粘接，所述的第二芳纶蜂窝板与该柔性隔离层采用高强环氧结构胶层粘接，其一定程度上解决大曲率芳纶蜂窝芯适用，但其结构原理与CN114919242 A类似，通过上下两层芳纶蜂窝板限定了曲率范围，其曲率方向是限定的，并不能适应现有航空飞行器复杂曲面，尤其是非单曲面。CN112644100A一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构及其一体化成型方法也为上述同理设计，均为针对限定曲面结构获取具有与之匹配的曲面蜂窝复合材料。
如今，随着某些领域对于芳纶纸蜂窝芯的柔性要求日益渐高，传统配方生产出的芳纶纸蜂窝芯已经无法满足使用要求，生产出适用于不同复杂曲面（非单曲面）成型的柔性芳纶蜂窝芯成为行业研究的重点。
发明内容
为此，本发明提供一种适用于复杂曲面的柔性芳纶蜂窝芯及其制造方法，以克服上述不足。
为实现上述目的，本发明提供一种适用于复杂曲面的柔性芳纶蜂窝芯 ，其柔性芳纶蜂窝芯包括多层芳纶纸相互黏连，所述的多层芳纶纸的单层芳纶纸折叠成截面依次相连互为颠倒的梯形单元结构，多组依次相连互为颠倒的梯形单元结构其形状如多个“乙”相连，所述的梯形单元结构上底为开口，依次相邻互为颠倒的梯形单元结构共用腰边；相邻两层芳纶纸形成多个间隔设置的截面为长边内嵌的矩形通孔，其形状如互为颠倒两梯形单元结构沿上底拼接，其中上底为开口中间间断；所述的多层芳纶纸相互黏连，其为单层芳纶纸折叠而成的梯形单元结构下底的上顶面涂胶，与之相邻一层的芳纶纸梯形单元结构下底的下顶面黏连，多层芳纶纸的梯形单元结构黏连处即为柔性芳纶蜂窝芯的节点，所述多层芳纶纸的每一层表面吸附有固化物混合液。
进一步，所述的梯形单元结构上底长设为a，下底即为2a，腰和下底夹角为60°。
进一步，所述的固化物混合液均匀吸附在所述芳纶纸壁上，即长边内嵌的矩形通孔内壁。
进一步，所述的固化物混合液为短切石英纤维材料与酚醛树脂及有机溶剂的混合液。
进一步，所述的有机溶剂为乙醇、甲苯、丙酮、氯仿中的一种或多种混合物。
一种适用于复杂曲面的柔性芳纶蜂窝芯的制造方法，包括如下步骤：
S1固化物混合液制备，提供一个滚桶式搅拌机，所述滚桶式搅拌机包括至少一个多孔喷头，按短切石英纤维材料占5-15份，酚醛树脂及有机溶剂85-95份；将该所述的短切石英纤维材料添加酚醛树脂及有机溶剂后放入所述滚桶式搅拌机，再滚动搅拌制得固化物混合液，固化物混合液通过多孔喷头输出；
S2芳纶纸固化物混合液吸附，通过滚桶式搅拌机的多孔喷头，将制备的固化物混合液均匀喷洒至已折叠梯形单元结构的芳纶纸上表面，喷洒固化物混合液时应反复转动并移动该层芳纶纸，芳纶纸通过真空吸附方式，吸附在转动平台的平面工装上，直至芳纶纸上表面吸附着一层均匀的固化物混合液；
S3芳纶纸梯形单元结构固化，将均匀吸附固化物混合液的芳纶纸放入烘箱中低温加热，以去除有机溶剂，去除有机溶剂后的芳纶纸表面粘度降低；提供一模具，所述模具形状截面为依次相连互为颠倒的梯形单元结构，多组依次相连颠倒的梯形单元结构其形状如多个“乙”相连，依次相邻互为颠倒的梯形单元结构共用腰边；将芳纶纸逐层贴合于所述的模具表面抽真空，并在0.12-0.18MPa环境下保压，同时送入固化炉进行固化，固化温度为180℃，固化时间为30min，每次固化上述芳纶纸张的数量为20~30张，每层待固化芳纶纸张间使用离型膜进行隔离，以防固化后相邻层芳纶纸互相粘接；
S4梯形单元结构芳纶纸脱模，将固化后的单层具有梯形单元机构的芳纶纸从模具上脱离，脱离后的芳纶纸其截面形状为依次相连互为颠倒的梯形单元结构；
S5涂胶热压，将脱模后芳纶纸通过多排等距钢条，进行逐层热压叠合，钢条截面与上述模具单元截面保持相似性，比模具截面面积偏小1%~5%；热压前将梯形单元结构的下底边的上顶面涂胶，所述的涂胶需满足中温固化条件，固化温度不大于150℃；完成一层成型芳纶纸涂胶后，相邻层的成型芳纶纸需完成180°翻转，待与前一层芳纶纸贴合后，如此多层芳纶纸依次进行贴合后进行热压固化胶液，使得相邻层件的成型芳纶纸节点完成粘接，由此制得柔性芳纶蜂窝芯胚料；
S6成型加工，将柔性芳纶蜂窝芯胚料通过五轴加工中心成设计尺寸形状的柔性芳纶蜂窝芯。
进一步，所述模具一侧嵌于固定墙体，且模具分布与依次相连芳纶纸梯形单元结构的下底一一对应。
本发明有益效果是：与现有技术相比，本发明所制造柔性芳纶蜂窝芯具有以下优点：
1.本发明所制造的柔性芳纶蜂窝芯可以满足不同曲率的复杂曲面，应用于航天飞行器、雷达而无需根据其不同曲面建模单独进行生产加工与之匹配；
2.本发明所制造的柔性芳纶蜂窝芯可以满足连续不同曲率的复杂曲面，而非现有需要对蜂窝芯进行剪裁拼接，根据不同曲面适配不同模具加工的蜂窝芯，提高铺设效率同时，相对于连续拼接蜂窝芯结构，本发明制造的柔性芳纶蜂窝芯增加飞行器、雷达蜂窝芯材的整体强度，蜂窝芯材料为价格高昂的芳纶纸执照，降低蜂窝芯剪裁拼接，降低其生产成本；
3.本发明所制造柔性芳纶蜂窝芯适应大曲率曲面，满足±90度曲面应用,柔性芳纶蜂窝芯当其具有10㎜厚度时，可以做到R5，也就是5㎜半径。
附图说明
图1为本发明柔性芳纶蜂窝芯结构示意图；
图2为本发明模具截面示意图；
图3为本发明钢条截面示意图；
图4为本发明节点示意图；
图5为本发明柔性芳纶蜂窝芯结构实际成品示意图；
图6为本发明应用复杂曲面效果示意图；
图7为本发明制造方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1，如图1、图5、图6所示，一种适用于复杂曲面的柔性芳纶蜂窝芯 ，其柔性芳纶蜂窝芯包括多层芳纶纸相互黏连，所述的多层芳纶纸的单层芳纶纸折叠成截面依次相连互为颠倒的梯形单元结构，多组依次相连互为颠倒的梯形单元结构其形状如多个“乙”相连，所述的梯形单元结构上底为开口，依次相邻互为颠倒的梯形单元结构共用腰边；相邻两层芳纶纸形成多个间隔设置的截面为长边内嵌的矩形通孔，其形状如互为颠倒两梯形单元结构沿上底拼接，其中上底为开口中间间断；所述的多层芳纶纸相互黏连，其为单层芳纶纸折叠而成的梯形单元结构下底的上顶面涂胶，与之相邻一层的芳纶纸梯形单元结构的下底的下顶面黏连，多层芳纶纸的梯形单元结构黏连处即为柔性芳纶蜂窝芯的节点，所述多层芳纶纸的每一层表面吸附有固化物混合液。所述的梯形单元结构上底长设为2.5mm，下底即为5mm，腰和下底夹角为60°。所述的固化物混合液均匀吸附在所述芳纶纸壁上，即长边内嵌的矩形通孔内壁。固化物混合液为短切石英纤维材料与酚醛树脂及有机溶剂的混合液。有机溶剂为乙醇。
如图2-图4、图7所示，一种适用于复杂曲面的柔性芳纶蜂窝芯的制造方法，包括如下步骤：
S1固化物混合液制备，提供一个滚桶式搅拌机，所述滚桶式搅拌机包括至少一个多孔喷头，按短切石英纤维材料占5份，酚醛树脂及有机溶剂95份；将该所述的短切石英纤维材料添加酚醛树脂及有机溶剂后放入所述滚桶式搅拌机，再滚动搅拌制得固化物混合液，固化物混合液通过多孔喷头输出；
S2芳纶纸固化物混合液吸附，通过滚桶式搅拌机的多孔喷头，将制备的固化物混合液均匀喷洒至已折叠梯形单元结构的芳纶纸上表面，喷洒固化物混合液时应反复转动并移动该层芳纶纸，芳纶纸通过真空吸附方式，吸附在转动平台的平面工装上，直至芳纶纸上表面吸附着一层均匀的固化物混合液；
S3芳纶纸梯形单元结构固化，将均匀吸附固化物混合液的芳纶纸放入烘箱中低温加热，以去除有机溶剂，去除有机溶剂后的芳纶纸表面粘度降低；提供一模具，如图2所示所述模具形状截面为依次相连互为颠倒的梯形单元结构，多组依次相连颠倒的梯形单元结构其形状如多个“乙”相连，依次相邻互为颠倒的梯形单元结构共用腰边；将芳纶纸逐层贴合于所述的模具表面抽真空，并在0.12-0.18MPa环境下保压，同时送入固化炉进行固化，固化温度为180℃，固化时间为30min，每次固化上述芳纶纸张的数量为20~30张，每层待固化芳纶纸张间使用离型膜进行隔离，以防固化后相邻层芳纶纸互相粘接；
S4梯形单元结构芳纶纸脱模，将固化后的单层具有梯形单元机构的芳纶纸从模具上脱离，脱离后的芳纶纸其截面形状为依次相连互为颠倒的梯形单元结构；
S5涂胶热压，将脱模后芳纶纸通过多排等距钢条，进行逐层热压叠合，如图3所示钢条截面与上述模具单元截面保持相似性，比模具截面面积偏小1%~5%；所述模具一侧嵌于固定墙体，且模具分布与依次相连芳纶纸梯形单元结构的下底一一对应。如图4所示热压前将梯形单元结构的下底边的上顶面涂胶，所述的涂胶需满足中温固化条件，固化温度不大于150℃；完成一层成型芳纶纸涂胶后，相邻层的成型芳纶纸需完成180°翻转，待与前一层芳纶纸贴合后，如此多层芳纶纸依次进行贴合后进行热压固化胶液，使得相邻层件的成型芳纶纸节点完成粘接，由此制得柔性芳纶蜂窝芯胚料；
S6成型加工，将柔性芳纶蜂窝芯胚料通过五轴加工中心成设计尺寸形状的柔性芳纶蜂窝芯。
实施例2，一种适用于复杂曲面的柔性芳纶蜂窝芯 ，其与实施例1基本相同，所不同的是一种适用于复杂曲面的柔性芳纶蜂窝芯的制造方法，S1固化物混合液制备，按短切石英纤维材料占15份，酚醛树脂及有机溶剂85份。
实施例3，一种适用于复杂曲面的柔性芳纶蜂窝芯 ，其与实施例1基本相同，所不同的是一种适用于复杂曲面的柔性芳纶蜂窝芯的制造方法，S1固化物混合液制备，按短切石英纤维材料占10份，酚醛树脂及有机溶剂90份。
由实施例1-3制造的柔性芳纶蜂窝芯其性能参数如下表：
| L向剪切强度（MPa） | W向剪切强度（MPa） | 平面抗压强度（MPa） | 适用曲面最大曲率 | |
| 实施例1 | 2.35 | 1.86 | 6.62 | ±90° |
| 实施例2 | 2.42 | 1.95 | 6.71 | ±90° |
| 实施例3 | 2.19 | 1.90 | 6.56 | ±90° |
由上表可以看出本发明所制造的柔性芳纶蜂窝芯具有良好的力学性能同时，可以适应±90°复杂曲面，同时满足连续曲面应用。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种适用于复杂曲面的柔性芳纶蜂窝芯 ，其特征是，柔性芳纶蜂窝芯包括多层芳纶纸相互黏连，所述的多层芳纶纸的单层芳纶纸折叠成截面依次相连互为颠倒的梯形单元结构，多组依次相连互为颠倒的梯形单元结构其形状如多个“乙”相连，所述的梯形单元结构上底为开口，依次相邻互为颠倒的梯形单元结构共用腰边；相邻两层芳纶纸形成多个间隔设置的截面为长边内嵌的矩形通孔，其形状如互为颠倒两梯形单元结构沿上底拼接，其中上底为开口中间间断；所述的多层芳纶纸相互黏连，其为单层芳纶纸折叠而成的梯形单元结构下底的上顶面涂胶，与之相邻一层的芳纶纸梯形单元结构下底的下顶面黏连，多层芳纶纸的梯形单元结构黏连处即为柔性芳纶蜂窝芯的节点，所述多层芳纶纸的每一层表面吸附有固化物混合液。
2.根据权利要求1所述的一种适用于复杂曲面的柔性芳纶蜂窝芯 ，其特征是，所述的梯形单元结构上底长设为a，下底即为2a，腰和下底夹角为60°。
3.根据权利要求1所述的一种适用于复杂曲面的柔性芳纶蜂窝芯 ，其特征是，所述的固化物混合液均匀吸附在所述芳纶纸壁上，即长边内嵌的矩形通孔内壁。
4.根据权利要求1所述的一种适用于复杂曲面的柔性芳纶蜂窝芯 ，其特征是，所述的固化物混合液为短切石英纤维材料与酚醛树脂及有机溶剂的混合液。
5.根据权利要求4所述的一种适用于复杂曲面的柔性芳纶蜂窝芯 ，其特征是，所述的有机溶剂为乙醇、甲苯、丙酮、氯仿中的一种或多种混合物。
6.一种适用于复杂曲面的柔性芳纶蜂窝芯的制造方法，其特征是，包括如下步骤：
S1固化物混合液制备，提供一个滚桶式搅拌机，所述滚桶式搅拌机包括至少一个多孔喷头，按短切石英纤维材料占5-15份，酚醛树脂及有机溶剂85-95份；将该所述的短切石英纤维材料添加酚醛树脂及有机溶剂后放入所述滚桶式搅拌机，再滚动搅拌制得固化物混合液，固化物混合液通过多孔喷头输出；
S2芳纶纸固化物混合液吸附，通过滚桶式搅拌机的多孔喷头，将制备的固化物混合液均匀喷洒至已折叠梯形单元结构的芳纶纸上表面，喷洒固化物混合液时应反复转动并移动该层芳纶纸，芳纶纸通过真空吸附方式，吸附在转动平台的平面工装上，直至芳纶纸上表面吸附着一层均匀的固化物混合液；
S3芳纶纸梯形单元结构固化，将均匀吸附固化物混合液的芳纶纸放入烘箱中低温加热，以去除有机溶剂，去除有机溶剂后的芳纶纸表面粘度降低；提供一模具，所述模具形状截面为依次相连互为颠倒的梯形单元结构，多组依次相连颠倒的梯形单元结构其形状如多个“乙”相连，依次相邻互为颠倒的梯形单元结构共用腰边；将芳纶纸逐层贴合于所述的模具表面抽真空，并在0.12-0.18MPa环境下保压，同时送入固化炉进行固化，固化温度为180℃，固化时间为30min，每次固化上述芳纶纸张的数量为20~30张，每层待固化芳纶纸张间使用离型膜进行隔离，以防固化后相邻层芳纶纸互相粘接；
S4梯形单元结构芳纶纸脱模，将固化后的单层具有梯形单元机构的芳纶纸从模具上脱离，脱离后的芳纶纸其截面形状为依次相连互为颠倒的梯形单元结构；
S5涂胶热压，将脱模后芳纶纸通过多排等距钢条，进行逐层热压叠合，钢条截面与上述模具单元截面保持相似性，比模具截面面积偏小1%~5%；热压前将梯形单元结构的下底边的上顶面涂胶，所述的涂胶需满足中温固化条件，固化温度不大于150℃；完成一层成型芳纶纸涂胶后，相邻层的成型芳纶纸需完成180°翻转，待与前一层芳纶纸贴合后，如此多层芳纶纸依次进行贴合后进行热压固化胶液，使得相邻层件的成型芳纶纸节点完成粘接，由此制得柔性芳纶蜂窝芯胚料；
S6成型加工，将柔性芳纶蜂窝芯胚料通过五轴加工中心成设计尺寸形状的柔性芳纶蜂窝芯。
7.根据权利要求6所述的一种适用于复杂曲面的柔性芳纶蜂窝芯的制造方法，其特征是，所述模具一侧嵌于固定墙体，且模具分布与依次相连芳纶纸梯形单元结构的下底一一对应。
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