CN202399610U - 一种复合材料板 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种复合材料板，包括：一个夹芯层；两个蒙皮层，包覆在所述夹芯层的外表面；和聚双环戊二烯层，设置在至少一个所述蒙皮层的外表面。本实用新型所述的复合材料板在纤维增强材料外部包覆了聚双环戊二烯层，解决了常规纤维增强树脂基复合材料在受到冲击载荷时易出现的分层失效以及耐磨性差的问题。该复合材料板材可广泛应用于矿山、铁路、公路运输重型车辆及货斗上的载重或承重部件中。本实用新型中的复合材料板材可以通过反应注射成型工艺结合真空辅助成型工艺实现，适用于工业化生产。

Description

一种复合材料板

技术领域

本实用新型涉及复合材料板，具体涉及一种抗冲、耐磨的纤维增强材料复合板。 

背景技术

纤维增强复合材料由于其高比强度和比刚度，已经被广泛应用于工程领域。但是此类复合材料对冲击载荷比较敏感，在使用中最致命的损伤往往因冲击引起。当冲击速度很高时，复合材料层合板将被穿透；而在冲击速度降低时，会产生不同破坏形式，例如基体开裂、纤维断裂和分层。所以对增强复合材料结构安全威胁最大的是冲击损伤，冲击损伤是复合材料损伤的主要研究对象。 

大部分复合材料的损伤不是一下造成的，往往是经过多次低能量冲击之后材料失效。复合材料在使用过程中受到低能冲击时，大部分情况并没有明显的目视损伤，但却在层合表面生成不可视的浅表面分层，从而形成潜在的危险，内部损伤的存在可造成复合材料在刚度和强度上的极大损失。 

道路运输用车量主要运载矿石、煤块、沙土及金属材料等，车厢与货物直接接触，在运输和装卸过程中不间断的经受低速或高速冲击，同时与货物之间发生各种摩擦碰撞。因此，要求车厢等部件需要足够的强度、韧性及耐磨性。 

钢铁等金属材料虽然能满足运输车辆的使用需求，但由于其密度大，使得运输车辆自重较大，减少了其运载货物的能力。目前，运输车辆的轻量化需求被提上日程，使用复合材料对运输车辆进行减重也成为研究热点，但是复合材料多集中于卡车牵引车部分的面板、车身等外饰件。这是由于纤维复合材料自身韧性较差，难以经 受冲击及摩擦所致。 

针对复合材料板材或者耐磨高抗冲板材，申请号为200810013963.X的中国专利报到了一种抗冲击耐磨衬板：该衬板包括聚氨酯板体，聚氨酯板体的表层热硫化有多个氧化铝球，聚氨酯板体的底层通过加固网连接有钢板，加固网与钢板固定连接并且加固热硫化与聚氨酯板体内；在钢板上设置有背钉孔，背钉孔内充盈有与聚氨酯板体一体的聚氨酯。钢板周边设置有聚氨酯包覆，且聚氨酯板与钢板连接牢固，具有高抗冲性合耐磨性，适用于矿山、码头等运输仓斗和料斗等。该专利使用的耐磨衬板仍以钢板为增强体，难以达到轻量化目的。 

申请号为200510029570的中国专利报道了一种使用纤维复合材料制造汽车覆盖件的方法，该汽车覆盖件是由纤维增强外板、泡沫或蜂窝芯材以及纤维增强内板三层胶接而成，具有轻量化的效果，但是该复合材料板只能作为覆盖件不能作为承力结构件，且内外板与芯材采用胶接的形式，增加了制造环节，生产周期长。专利WO2009/096676报到了一种使用复合材料通过同时固化形成的车身，车身使用夹心板整体成型，夹心板包括芯材、纤维预浸料内皮材料和外皮材料以及在芯材和外皮材料间的金属板材，制造方法使用的是层压及热压罐法，该发明解决了带有芯材的板材表面质量缺陷问题，同时一定程度上增加了材料的刚性和韧性，但仍仅能作为车身覆盖件，不能作为承重件。 

聚双环戊二烯是一类具有优异的机械性能的高分子材料，已被应用于制造车辆上的某种部件，其合成方法多是采用双组份的反应注塑成型法(RIM)，如中国专利ZL 97106423.7。目前尚未有关于含有聚双环戊二烯层的纤维复合材料。 

实用新型内容

为了克服现有纤维复合材料抗冲性能和耐磨性能较差，不适宜用于车辆载重或承重部位，提供一种新型、轻质、性能好的复合材料板材，本实用新型的目的是提供一种复合材料板。

所述复合材料板包括： 

一个夹芯层； 

两个蒙皮层，包覆在所述夹芯层的外表面；和 

聚双环戊二烯层，设置在至少一个所述蒙皮层的外表面。 

所述聚双环戊二烯通过富胶层粘接设置在至少一个所述蒙皮层的外表面。 

所述复合材料板中，聚双环戊二烯层主要用于抗冲击和摩擦，因此，主要设置在与外界接触的一面，也可以整体包覆在蒙皮层之外，加强板材的抗冲击与耐磨性能。所述聚双环戊二烯层的厚度可根据复合材料板的应用领域以及需要的耐磨、耐冲击性能来确定其厚度，如在矿山、铁路、公路运输重型车辆及货斗上的载重或承重部件中，3-10mm的聚双环戊二烯层即可实现所需的性能。 

所述夹芯层为Balsa木、泡桐木、杉木、橡木、铝蜂窝、聚氨酯蜂窝、聚氯乙烯蜂窝、聚丙烯蜂窝、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫或碳泡沫。所述夹芯层主要用于实现复合材料板的刚度需求，通常厚度越大，刚度越大，具体的厚度要求也可根据复合材料板的应用领域以及刚度需求来确定，或根据现有夹心板材中的夹芯层厚度参考确定。 

所述蒙皮层为包括树脂基体和纤维增强层的纤维增强复合板，。 

用于蒙皮层的纤维增强复合板可采用现有技术中的任一种，优选：所述树脂基体为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、双马来酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、乙烯基树脂或酚醛树脂；所述纤维增强层为3～10层纤维编织物，所述编织物选自纤维毡、机织纤维布、针织纤维布、编织纤维布、缝织纤维布、斜纹布、平纹布、单向布中的一种。 

所述纤维编织物中的纤维为碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄 武岩纤维、凯夫拉纤维中的一种，在复合板结构中具有需要承受较大应力的部位，则该局部部位优选采用碳纤维或芳纶纤维，而用于制造承重部件的复合板，则可以全部采用碳纤维或芳纶纤维，以增加板材承受应力的能力。 

所述富胶层设置在蒙皮层与聚双环戊二烯层之间，是在形成蒙皮层时由基体树脂聚集而产生的一个过渡层，起到增加界面粘接强度，并对外部冲击力提供缓冲的作用。富胶层的厚度可以设置为0.1-2mm之间，或根据实际应用领域不同，控制其厚度在复合板承受外部冲击的状态下，聚双环戊二烯层不发生脱落即可。富胶层的结构可以为规则的层状结构，也可以在层状结构的基础上加上一个或多个嵌入聚双环戊二烯层的各种结构，以增加富胶层和聚双环戊二烯层的接触面积。 

上述技术方案任一项所述的复合材料板还包括加强筋，铺设在所述夹芯层中、所述蒙皮层与聚双环戊二烯层之间、或两层蒙皮层之间并贯穿夹芯层；所述加强筋为纤维编织物或纤维增强筋。 

所述纤维增强筋为包括树脂基体和纤维增强层的纤维增强复合材料通过拉挤成型工艺形成、截面为“工”型、“X”型、“口”型或“O”型的长条状结构；所述的纤维增强复合材料可采用现有技术中的任一种，也可以采用与前述蒙皮层相同或类似的材质。所述纤维增强筋设置于夹芯层中，或设置于蒙皮层与聚双环戊二烯层之间。 

所述纤维编织物为二维编织物或三维编织物。 

其中，所述二维编织物可以采用现有技术中的纤维编织物，也可以与蒙皮层中相同的纤维增强层相同，选自纤维毡、机织纤维布、针织纤维布、编织纤维布、缝织纤维布、斜纹布、平纹布、单向布中的一种；所述二维纤维编织物设置于夹芯层中。 

所述三维编织物为截面为“工”型、“X”型或“口”型的长条状三维编织物；所述三维编织物设置于夹芯层中，或设置于两层蒙皮层之间，并贯穿夹芯层。 

本实用新型涉及的复合材料板，蒙皮层采用真空灌注成型工艺，聚双环戊二烯层采用反应注射成型工艺。制造的顺序可以是：先制成的夹芯层和蒙皮层的复合板制件镶嵌于反应注射模具内，再通过反应注射成型将聚双环戊二烯包覆于上述复合板外；制造的顺序还可以是：先采用反应注射成型工艺制得聚双环戊二烯层薄壁壳层，然后再通过真空辅助树脂传递模塑工艺将其复合于夹芯层和蒙皮层的复合板上。 

具体说来，第一种方法包括以下步骤： 

(1)在真空辅助树脂传递模塑的模具上平铺一层纤维增强层，再依次铺设夹芯层和第二层纤维增强层，并将所述纤维增强层的周边封闭； 

(2)在纤维增强层上铺设导流织物和真空膜，密封模具，在所述模具与真空膜的结合处抽真空，至真空度达到0.1Mpa以下后，灌入树脂充满模具，树脂浸渍所述纤维增强层形成蒙皮层，并在所述蒙皮层外表面形成富胶层，加热固化成型； 

(3)将步骤(2)所得板材嵌入反应注射成型模具中，然后在所述模具中注入聚双环戊二烯反应原料，加热固化后即得。 

第一种方法可以根据板材在模具中的嵌入方式不同得到单面的、双面的或者是整体包覆于板材的聚双环戊二烯层，嵌入方式采用本领域常见技术或简单改型，如将步骤(2)所得板材采用支架悬空置于模具中，则可得到蒙皮层整体被包覆的结构。 

第二种方法包括以下步骤： 

(1)在反应注射成型模具中注入聚双环戊二烯反应原料，加热固化成型聚双环戊二烯壳层； 

(2)将所述聚双环戊二烯壳层放置于真空辅助树脂传递模塑的 模具中，并在其上平铺一层纤维增强层，再依次铺设夹芯层和第二层纤维增强层，并将所述纤维增强层的周边封闭； 

(3)在所述纤维增强层上铺设导流织物和真空膜，密封模具，在所述模具与真空膜的结合处抽真空，至真空度达到0.1Mpa以下后，灌入树脂，树脂浸渍所述纤维增强层形成蒙皮层，并在所述蒙皮层外部与聚双环戊二烯壳体之间形成富胶层，加热固化成型即得。 

第二种方法尤其适合制备单层聚双环戊二烯层的复合材料，当需要制备双层聚双环戊二烯层时，所述方法还包括：在所述纤维增强层上再铺设一层聚双环戊二烯壳层，并在壳层上开设一个或多个导流孔，然后在所述聚双环戊二烯壳层上铺设导流织物和真空膜，灌注树脂时，树脂通过导流孔进入纤维增强层。 

所述加热固化的温度可以根据树脂种类及现有技术进行调整。 

所述纤维增强层周边封闭的方法为缝合、胶连、重叠或搭靠。 

所述制备方法还包括设置加强筋，所述加强筋的位置为夹芯层中、蒙皮层与聚双环戊二烯层之间、或包覆所述夹芯层两面的蒙皮层之间并贯穿夹芯层。 

具体说来，当加强筋为纤维增强管时，可以直接铺设在夹芯层中或蒙皮层与聚双环戊二烯层之间，铺设的方向可以为横向、纵向或混合铺设。当加强筋为二维编织物时，可直接铺设在夹芯层中各种填充料之间。当加强筋为三维编织物时，可直接铺设在夹芯层中间，还可以两层蒙皮层之间并贯穿整个夹芯层，如“工”型的编织物，可将上下两部分分别作为纤维编织物铺设于蒙皮层的编织物中，中间填充木料或泡沫后，形成一种连接在两蒙皮层之间并贯穿整个夹芯层的加强结构。 

本实用新型所述的复合材料板可用于制造重型车辆载重或承重部件。 

所述重型车辆载重或承重部件为矿山、铁路或公路运输的重型卡车车厢。 

载重卡车在装载过程中需要经受一定的冲击，尤其是自卸车等运载大块矿石的车型。同时，货物在运输和装载的过程中会与车厢板发生摩擦，尤其是运载大块矿石的车辆，对车厢板的耐磨性要求更高；再者，载重型卡车的载重量通常是几十吨，由此对车厢板的刚性也有严格的要求，否则，车厢板会发生较大变形，影响使用。本实用新型所述的复合材料板能够满足以上所有的性能要求，见表1，因此，可以用于制造重型车辆的载重或承重部件。 

本实用新型所述的复合材料板是一种承重力好、高抗冲耐磨的板材，尤其适合重型卡车及其相关领域轻量化的需求，复合板在纤维增强材料外部增加了了聚双环戊二烯层，解决了常规纤维增强树脂基复合材料在受到冲击载荷时易出现的分层失效以及耐磨性差的问题。而且所述复合板的结构可通过成型工艺一体成型，解决了复合材料间的连接问题，增加了复合材料板材的整体刚度，使其可作为承力结构部件。该复合材料板材可广泛应用于矿山、铁路、公路运输重型车辆及货斗上的载重或承重部件中，其替代钢材料部件的轻量化效果可达50％左右，甚至更高。本实用新型中的复合材料板材可以通过反应注射成型工艺结合真空辅助成型工艺实现，具有组合工艺简单，生产周期短，固化温度低，能耗小，污染小，成本低等显著特点，适用于工业化生产。 

附图说明

图1是实施例1所述复合板的截面示意图； 

图2是实施例2所述复合板的截面示意图； 

图3是实施例3所述具有加强筋的复合板的截面示意图； 

图4是实施例4所述具有加强筋的复合板的截面示意图 

图5是实施例5所述具有加强筋的复合板的截面示意图 

图中：1、聚双环戊二烯层；2、富胶层；3、蒙皮层；4、夹芯层；5、加强筋(编织物)；6、加强筋(纤维增强方管)。 

具体实施方式

以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。 

实施例1 

(1)将5层玻璃纤维平纹布以0/90°交叉铺叠于VARTM的模具上，而后铺设一层30mm厚的Balsa木芯材形成夹芯层4；再次铺设5层玻璃纤维平纹布，铺设完毕后将织物沿周边缝合封闭。最后铺设导流织物(如塑料薄膜导流布)和真空膜，密封模具与真空膜的结合处，抽真空至真空度达到0.1Mpa后引入含有固化剂及添加剂的环氧树脂JL-236混合料(常熟佳发有限责任公司)，使环氧树脂胶液完全浸渍纤维层形成蒙皮层3，最终充满模具内部，并在蒙皮层外形成0.5mm厚的富胶层2，控制蒙皮层的纤维含量为50％，加热至80℃固化成型。 

(2)将步骤(1)中固化成型的夹层结构板材放入聚双环戊二烯注射模具中间，结构板的两面与模腔两面留有一定厚度的间隙。将聚双环戊二烯(RIMTEC公司)反应原料A、反应原料B组分按1∶1的比例混合均匀，通过注射头注射入聚双环戊二烯壳体模具中，充满结构板与模腔表面之间的间隙，控制模具温度在80℃～85℃，固化形成3mm厚的聚双环戊二烯层1，待固化完成后取出，得图1所示结构的复合材料板。 

实施例2 

将聚双环戊二烯反应原料A、反应原料B组分按1∶1的比例混合均匀，通过注射头注射入聚双环戊二烯壳体模具中，控制模具温度在80℃～85℃，带固化完成后取出聚双环戊二烯壳体1，壳体厚度为7mm，壳体内壁上有凹陷的结构，该凹陷结构为多个均与分布的类似槽状的结构。将壳体置于真空辅助树脂传递模塑模具上；并将5层玻璃纤维平纹布以0/90°交叉铺叠于壳体上，而后铺设一层30mm 厚轻质泡桐木芯材形成夹芯层4；再次铺设5层玻璃纤维平纹布，铺设完毕后将织物沿周边进行胶连封闭。最后在玻璃纤维平纹布上铺设导流织物和真空膜，密封模具与真空膜的结合处，抽真空至真空度达到0.1Mpa后引入含有固化剂及添加剂的环氧树脂液体，使环氧树脂胶液完全浸渍纤维布形成蒙皮层3，并最终充满模具内部，并在聚双环戊二烯层与蒙皮层之间形成0.2mm厚的富胶层2，控制蒙皮层纤维含量为50％，加热至80℃固化成型，得图2所示结构的复合材料板。 

实施例3 

(1)使用三维编织方式编织截面为“工”型的长条状碳纤维织物作为加强筋5，上下的“一”字型横向结构分别由两块碳纤维平纹布构成。 

(2)将6层碳纤维平纹布以0/90°交叉铺叠于RTM模具上，在铺设加强筋的位置，纤维增强层只铺设最上两层及最下层两层碳纤维平纹布，随后在加强筋位置放置“工”型加强筋的碳纤维平纹布，并将其作为蒙皮层的一部分，而后在加强筋中间铺设30mm厚的泡桐木芯材形成夹芯层4；再次铺设6层碳纤维平纹布，并将“工”型加强梁的另一个横向平面的交叠碳纤维平纹布铺设于上层蒙皮层内，铺设完毕后将两层纤维增强层沿周边缝合封闭。最后铺设导流织物和真空膜，密封模具与真空膜的结合处，抽真空至真空度达到0.1Mpa后引入含有固化剂及添加剂的环氧树脂液体，使环氧树脂胶液完全浸渍增强纤维层形成蒙皮层3，并最终充满模具内部，并在蒙皮层外形成一层富胶层2，控制蒙皮层纤维含量为50％，加热至80℃固化成型。 

(3)将步骤(2)中固化成型的夹层结构板材放入聚双环戊二烯注射模具中间，结构板的两面与模腔两面留有一定厚度的间隙。将聚双环戊二烯反应原料A、反应原料B组分按1∶1的比例混合均 匀，通过注射头注射入聚双环戊二烯壳体模具中，充满结构板与模腔表面之间的间隙，控制模具温度在80℃～85℃，固化形成聚双环戊二烯层1，待固化完成后取出，得图3所示结构的复合材料板。 

实施例4 

(1)使用拉挤成型工艺制造具有“口”型截面的碳纤维复合材料加强方管6，方管截面的边长为30mm，并裁切为需要的长度； 

(2)将5层玻璃纤维平纹布以及3层碳纤维平纹布以0/90°交叉铺叠于模具上，而后将一层聚氨酯泡沫以及碳纤维复合材料加强方管6交替铺设于平纹布上方形成具有加强筋结构的夹芯层4；再次铺设5层玻璃纤维平纹布以及3层碳纤维平纹布，铺设完毕后将织物沿周边搭靠封闭。最后铺设导流织物和真空膜，密封模具与真空膜的结合处，抽真空至真空度达到0.1Mpa后引入含有固化剂及添加剂的环氧树脂液体形成蒙皮层3和0.5mm厚的富胶层2，控制蒙皮层纤维含量为80％，加热至80℃固化成型。 

(3)将步骤(2)中固化成型的夹层结构板材放入聚双环戊二烯注射模具中间，结构板的两面与模腔两面留有一定厚度的间隙。将聚双环戊二烯反应原料A、反应原料B组分按1∶1的比例混合均匀，通过注射头注射入聚双环戊二烯壳体模具中，充满结构板与模腔表面之间的间隙，控制模具温度在80℃～85℃，固化形成9mm厚的聚双环戊二烯层1，待固化完成后取出，既得图4所示结构的复合材料板。 

实施例5 

按照实施例4的制作方法，改变加强筋与纤维增强层的铺放顺序，既得图5所示结构的复合材料板。 

对比例1 

将5层玻璃纤维平纹布以0/90°交叉铺叠于模具上，而后铺设一层30mm厚的Balsa木芯材；再次铺设5层玻璃纤维平纹布，铺 设完毕后将织物沿周边缝合、胶连、重叠或搭靠进行封闭。最后铺设导流织物和真空膜，密封模具与真空膜的结合处，抽真空至真空度达到0.1Mpa后引入含有固化剂及添加剂的环氧树脂液体，控制蒙皮层纤维含量为80％，加热至80℃固化成型。 

实施例1、2、3、4与比较例1耐磨、抗冲击及刚度性能比较见表1： 

表1耐磨、抗冲击及刚度性能比较结果 

(1)磨耗试验测试方法：使用泰伯尔耐磨测试仪，磨耗轮为H22，测量试验样品在施加1000g载荷，由磨耗轮摩擦1000转情况下的质量损耗。 

(2)冲击性能测试：使用YJ-8625落球冲击试验机，落球重量2082g，落球高度2m。 

(3)三点弯曲法测试方法：使用万能材料测试仪，样品宽度为300mm，长度为600mm，测试跨距为450mm，施加载荷至1KN。 

以上实施例1-5在各项测试完成后，聚双环戊二烯层和蒙皮层 之间的粘结无损坏。 

虽然上文中已经用一般性说明、具体实施方式及实验，对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。 

Claims (7)

1.一种复合材料板，其特征在于，包括：

一个夹芯层；

两个蒙皮层，包覆在所述夹芯层的外表面；和

聚双环戊二烯层，设置在至少一个所述蒙皮层的外表面。

2.根据权利要求1所述的复合材料板，其特征在于，所述聚双环戊二烯通过富胶层粘接在至少一个所述蒙皮层的外表面。

3.根据权利要求2所述的复合材料板，其特征在于，所述夹芯层为Balsa木、泡桐木、杉木、橡木、铝蜂窝、聚氨酯蜂窝、聚氯乙烯蜂窝、聚丙烯蜂窝、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫、碳泡沫中的一种。

4.根据权利要求2所述的复合材料板，其特征在于，所述蒙皮层为包括树脂基体和纤维增强层的纤维增强复合板；所述树脂基体为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、双马来酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、乙烯基树脂或酚醛树脂；所述增强纤维层为3～10层纤维编织物，所述编织物选自纤维毡、机织纤维布、针织纤维布、编织纤维布、缝织纤维布、斜纹布、平纹布、单向布中的一种；所述纤维编织物中的纤维为碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、凯夫拉纤维中的一种。

5.根据权利要求1-4任一项所述的复合材料板，其特征在于，所述复合材料板还包括加强筋，铺设在所述夹芯层中、所述蒙皮层与聚双环戊二烯层之间、或两层蒙皮层之间并贯穿夹芯层；所述加强筋为纤维编织物或纤维增强筋。

6.根据权利要求5所述的复合材料板，其特征在于，所述纤维增强筋为包括树脂基体和纤维增强层的纤维增强复合材料通过拉挤成型工艺形成、截面为“工”型、“X”型、“口”型或“O”型的长条状结构；所述纤维增强筋设置于夹芯层中，或设置于蒙皮层与聚双环戊二烯层之间。 

7.根据权利要求5所述的复合材料板，其特征在于，所述纤维编织物为二维编织物或三维编织物；所述二维编织物选自纤维毡、机织纤维布、针织纤维布、编织纤维布、缝织纤维布、斜纹布、平纹布、单向布中的一种；所述二维纤维编织物设置于夹芯层中；所述三维编织物为截面为“工”型、“X”型或“口”型的长条状三维编织物；所述三维编织物设置于夹芯层中，或设置于两层蒙皮层之间，并贯穿夹芯层。 

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