夾芯結構複合材料及其製備方法

2023-09-17 00:56:05 3

夾芯結構複合材料及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種夾芯結構複合材料及其製備方法。該夾芯結構複合材料包括上面板、下面板和芯層，芯層位於上面板和下面板之間，芯層包括至少2根中空矩形管，中空矩形管以並列平行的方式排布於芯層中，相鄰的中空矩形管之間設有管間插層。製備方法包括準備中空矩形管、準備預成型體、組裝VIMP成型系統、真空注膠、共固化成型和後續處理。本發明的夾芯結構複合材料能夠在滿足輕量化目標的同時，大幅提高材料的抗側壓性能，製備方法操作簡單、成本低廉。
【專利說明】夾芯結構複合材料及其製備方法

【技術領域】
[0001]本發明屬於纖維增強樹脂基複合材料及其加工領域，涉及一種夾芯結構複合材料及其製備方法，尤其涉及以單向纖維增強複合材料中空矩形管為夾芯的樹脂基複合材料結構件。

【背景技術】
[0002]夾芯結構複合材料自二十世紀四十年代出現以來，受到越來越多的關注，其主要特點是抗彎剛度大，結構重量輕，即夾芯結構具有高的比強度和比模量，而且耐疲勞、抗振動性能好，隔音、隔熱等性能優異，一直是工程應用中重要的結構材料。但是，傳統夾芯結構複合材料多採用泡沫、蜂窩等夾芯材料，側壓性能嚴重不足，限制了其在某些主承力結構中的應用。
[0003]隨著列車運行的高速化和新型軌道交通方式的發展，列車部件複合材料輕量化趨勢越來越明顯。為減輕車體重量，可採用複合材料夾芯結構設計和製備車底架構件。
[0004]車底架構件承受橫向載荷和縱向載荷。其中，橫向載荷主要包括車輛正常運行狀態下車體重量載荷，底架下面板掛載設備的重量載荷，均布在底架上面板上的乘客與行李重量載荷；縱向載荷主要是車輛走行時的牽引載荷，緊急制動下車廂間碰撞的壓縮載荷、衝擊載荷等，其中，車端壓縮載荷是設計者需要關注的重點。
[0005]車底架承受的橫向載荷對應夾芯結構的彎曲載荷，縱向載荷對應夾芯結構的側向載荷。傳統夾芯結構平壓性能好，抗彎剛度高，能很好地滿足車底架橫向載荷的要求，但其側壓性能嚴重不足，無法滿足車底架縱向壓縮載荷的要求。


【發明內容】

[0006]本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種能夠在滿足輕量化目標的同時，大幅提高材料抗側壓性能的夾芯結構複合材料，並相應提供一種操作簡單、成本低廉的夾芯結構複合材料的製備方法。
[0007]為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案:
一種夾芯結構複合材料，所述夾芯結構複合材料包括上面板、下面板和芯層，所述芯層位於上面板和下面板之間，所述芯層包括至少2根中空矩形管，所述中空矩形管以並列平行的方式排布於所述芯層中，相鄰的所述中空矩形管之間設有管間插層。
[0008]上述的夾芯結構複合材料中，優選的，所述中空矩形管是由單向纖維增強樹脂基複合材料構成，所述單向纖維增強樹脂基複合材料中的增強材料包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維中的一種或多種，所述單向纖維增強樹脂基複合材料中的樹脂基體包括聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂中的一種或多種。
[0009]上述的夾芯結構複合材料中，優選的，所述管間插層是由纖維增強樹脂基複合材料構成，所述纖維增強樹脂基複合材料中的纖維增強材料包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維中的一種或多種，所述纖維增強材料的形式包括多軸向織物或氈，所述纖維增強樹脂基複合材料中的樹脂基體包括聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂中的一種或多種。
[0010]上述的夾芯結構複合材料中，優選的，所述上面板和下面板均是由多軸向織物增強樹脂基複合材料構成，所述多軸向織物包括玻璃纖維多軸向織物、碳纖維多軸向織物、芳綸纖維多軸向織物中的一種或多種，所述樹脂基體包括聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂中的一種或多種。
[0011]上述的夾芯結構複合材料中，優選的，所述中空矩形管橫截面的外邊長為5_?1 SOmnin
[0012]上述的夾芯結構複合材料中，優選的，所述中空矩形管的管壁厚度為Imm?10mm。
[0013]上述的夾芯結構複合材料中，優選的，所述管間插層的厚度(即相鄰的所述中空矩形管之間的管間距)為0.5mm?5.0mm。
[0014]上述的夾芯結構複合材料中，優選的,所述上面板的厚度為0.2mm?20mm ;所述下面板的厚度為0.2mm?20mm。
[0015]作為一個總的技術構思，本發明還提供一種上述的夾芯結構複合材料的製備方法，包括以下步驟:
(1)準備中空矩形管:採用拉擠成型工藝製備預設尺寸的中空矩形管；
(2)準備預成型體:在一剛性模具上依次鋪放夾芯結構複合材料所需的下面板增強材料、中空矩形管、管間插層增強材料和上面板增強材料，得到預成型體；
(3)組裝VMP成型系統:在所述預成型體上依次鋪放脫模布和導流網，並設置好注膠咀和溢膠咀，然後在所述剛性模具外圍包覆真空袋膜形成一模腔，將所述預成型體、脫模布、導流網、注膠咀、溢膠咀均密封於模腔中，再將所述注膠咀、溢膠咀分別連接至VIMP工藝用注膠系統和抽真空系統，得到VIMP成型系統；
(4)真空注膠:檢查所述VIMP成型系統的氣密性後，準備樹脂體系，通過抽真空方式向VIMP成型系統的模腔中注入所述樹脂體系，直至樹脂充填完畢，停止注入；
(5)共固化成型:按照預設的固化制度進行共固化成型；
(6)後續處理:共固化成型後，先將所述真空袋膜、導流網、脫模布和剛性模具全部卸除，對成型後的固化體進行後處理，得到夾芯結構複合材料。
[0016]上述的製備方法中，優選的，所述共固化成型時的固化制度為:在20°C?220°C下保溫固化Ih?24h。
[0017]本發明中，中空矩形管可以為中空長方形管或者中空正方形管，中空矩形管、管間插層、上面板和下面板的各個尺寸和所需材料均可根據實際製備構件的需要來進行設定，以滿足不同的強度和承力要求。
[0018]與現有技術相比，本發明的優點在於:
(I)本發明採用並行排列的單向纖維增強樹脂基複合材料中空矩形管為夾芯材料，且整體採用真空袋壓成型，由此製備的夾芯結構複合材料構件除了具有傳統夾芯結構抗彎剛度大，結構重量輕的優點外，還具有抗側壓(沿中空矩形管軸向)性能高的特點，大幅度改善了傳統夾芯結構側壓性能不足的缺點，可用於軌道交通、船舶、太空飛行器等主承力結構。
[0019](2)本發明的中空矩形管可根據產品使用要求，採用單向玻璃纖維、碳纖維、玻/碳混雜纖維或者其他增強纖維增強，以拉擠工藝成型，成型工藝簡單，製備效率高。以中空矩形管作為夾芯，可滿足最終成型的夾芯結構複合材料輕量化的要求，同時，中空矩形管採用單向纖維增強，矩形管軸向具有很強的抗壓性能，矩形管並行排列作為夾芯材料時，可賦予夾芯結構複合材料很強的抗側壓性能。
[0020](3)本發明以織物鋪層為上、下面板增強材料，在並行排列的中空矩形管間插入適當的增強材料，與上、下面板增強材料聯通，使上、下面板和管間插層整體形成一種多聯通域的多牆體結構。以管間增強材料插層聯通上下面板增強材料，形成多牆體結構預成型體，可方便利用液相浸潰工藝整體製備夾芯結構複合材料，屬於液相整體成型技術，工藝操作簡便，製備成本低。
[0021](4)本發明的方法(液體成型方法)整體製備的中空矩形管夾芯結構複合材料的外形尺寸、形位公差受剛性陰模保證，容易滿足設計要求。本發明的方法採用拉擠工藝製備了單向纖維增強的中空矩形管、採用液相浸潰工藝整體製備了中空矩形管夾芯結構複合材料車底架構件，製品表面及內部無明顯缺陷，製成的複合材料車底架性能優異，在承受同等載荷的條件下，重量比原鋁合金結構車底架大幅降低。試製的各型中空矩形管夾芯結構複合材料全部通過了承載性能測試，完全滿足設計指標的要求。
[0022]綜上，本發明的夾芯結構複合材料以單向纖維增強複合材料中空矩形管為芯材和縱向主承力單元，能大幅提高夾芯結構的縱向抗壓性能，從根本上解決了傳統夾芯結構側壓性能嚴重不足，不能作為承受很大縱向載荷結構件(對應夾芯結構的側向載荷)使用的問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發明實施例中夾芯結構複合材料的剖面結構示意圖。
[0024]圖2為本發明實施例中VMP工藝用注射成型系統的結構示意圖。
[0025]圖例說明:1、上面板增強材料；2、下面板增強材料；3、管間插層增強材料；4、中空矩形管；5、剛性模具；6、導流網；7-1、注膠咀；7-2、注膠管；8、真空袋膜；9、脫模布；10_1、溢膠咀；10-2、溢膠管；11、密封膠條；12、上面板；13、下面板；14、管間插層。

【具體實施方式】
[0026]以下結合說明書附圖和具體優選的實施例對本發明作進一步描述，但並不因此而限制本發明的保護範圍。
[0027]實施例1製備中空矩形管夾芯結構複合材料平板
一種本發明的夾芯結構複合材料，如圖1所示，該夾芯結構複合材料包括上面板12、下面板13和芯層，芯層位於上面板12和下面板13之間，芯層包括5根中空矩形管4，在芯層中，中空矩形管4以並列平行的方式進行排布(間隔排布)，相鄰的中空矩形管4之間設有管間插層14。
[0028]本實施例中，中空矩形管4是由單向玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂基複合材料構成，管間插層14是由玻璃纖維增強環氧樹脂複合材料構成，上面板12和下面板13均是由玻璃纖維增強環氧樹脂複合材料構成。
[0029]本實施例中，中空矩形管4橫截面的外長為50mm,外寬為46mm,管壁厚度為3mm,管間插層14的厚度為Imm,上面板12的厚度為3mm,下面板13的厚度為3mm。。
[0030]一種上述本實施例的夾芯結構複合材料的製備方法，包括以下步驟: (I)準備中空矩形管4 (即方管)
在拉擠設備上，採用截面尺寸為50mmX46mmX3mm (壁厚)的中空矩形管模具，拉擠成型出單向玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂中空矩形管。對成型後的中空矩形管4進行表面打磨、清洗處理後，裁切成長度為400mm的中空矩形管4備用。
[0031](2)準備預成型體:
在500mmX500mm的剛性模具5 (即金屬平板模具)面上進行打磨清理處理後，塗覆脫模劑，備用。將玻璃纖維多軸向織物(購自重慶國際複合材料有限公司，也可以為玻璃纖維平紋織物)，厚度0.5mm剪裁成400mmX 260mm方塊共計12塊,400mmX 46mm長條共計8塊，在105°C烘箱中烘乾10h，備用。
[0032]在準備好的剛性模具5上，依次鋪放6層400mmX 260mm玻璃纖維織物(即下面板增強材料2)後，在織物鋪層上平行鋪放前期準備的5根拉擠中空矩形管4，相鄰中空矩形管4之間插入2塊400mm (長)X46mm (作為高)長條玻璃纖維織物(即管間插層增強材料3，厚為1mm)，然後在中空矩形管4上繼續鋪放6層400mmX 260mm玻璃纖維織物(即上面板增強材料I)，得到預成型體。
[0033](3)組裝VMP成型系統:在步驟(2)得到的預成型體上依次鋪放脫模布9和導流網6，並設置好注膠咀7-1和溢膠咀10-1 (即抽氣口)，然後在剛性模具5周邊距預成型體70mm處粘貼密封膠條11，在剛性模具5外圍包覆真空袋膜8形成一模腔，使預成型體、脫模布9、導流網6、注膠咀7-1、溢膠咀10-1均密封於模腔中，再將注膠咀7-1通過注膠管7-2連接至一注膠系統，將溢膠咀10-1通過溢膠管10-2連接至一抽真空系統，抽真空系統包括樹脂收集器(與溢膠管10-2相連)和真空泵(與樹脂收集器相連)，得到VMP成型系統。
[0034](4)真空注膠:檢查VMP成型系統的氣密性後，準備樹脂體系並開啟真空泵，將環氧樹脂LT-5078A (購自會展電子材料(上海)有限公司)和相應的固化劑LT-5078-2按100: 30的質量比混合後，將注膠管7-2插入注膠系統的膠桶中，打開注膠閥門，使膠液在真空壓力作用下導入密封模腔中，通過注膠管7-2、導流網6等迅速分流、浸滲預成型體(纖維床)。樹脂浸滲完成後，關閉注膠閥門。
[0035](5)共固化成型:維持系統真空，將模具系統(即剛性模具至真空袋膜、連同還未固化的複合材料的部分)送入烘箱，烘箱升溫至70°C，保溫4h，使密封在真空袋膜內的夾芯結構複合材料固化。
[0036](6)後續處理:脫除真空袋膜8、脫模布9、導流網6、注膠咀7_1、注膠管7_2、溢膠咀10-1、溢膠管10-2等輔助材料，輕輕敲擊，使夾芯結構複合材料從剛性模具(即金屬平板)上脫除，去除飛邊，得到中空矩形管夾芯結構複合材料平板。
[0037]據測試，採用本實施例製備的中空矩形管夾芯複合材料試樣，可以承受163.7kN的側壓載荷不破壞，而採用同種工藝、相同面板材料和鋪層製備的泡沫夾芯複合材料試樣，僅能承受2.0kN的側壓載荷，前者承受的側壓載荷是後者的81倍。
[0038]實施例2製備碳纖維增強中空矩形管夾芯結構複合材料車底架
一種本發明的夾芯結構複合材料(示意結構可參見圖1)，該夾芯結構複合材料包括上面板12、下面板13和芯層，芯層位於上面板12和下面板13之間，芯層包括54根中空矩形管4，在芯層中，中空矩形管4以並列平行的方式間隔排布，相鄰的中空矩形管4之間設有管間插層14。
[0039]本實施例中，中空矩形管4是由單向碳纖維增強環氧樹脂基複合材料構成，管間插層14是由玻璃纖維增強環氧樹脂複合材料構成，上面板12和下面板13均是由碳纖維增強環氧樹脂複合材料構成。
[0040]本實施例中，中空矩形管4橫截面的外長為50mm,外寬為46mm,管壁厚度為3mm,管間插層14的厚度為1.7mm,上面板12的厚度為1.5mm,下面板13的厚度為3mm。
[0041]一種上述本實施例的夾芯結構複合材料的製備方法，包括以下步驟:
(I)準備中空矩形管4 (即方管)
採用拉擠工藝製備出單向碳纖維增強環氧樹脂複合材料方管，方管截面尺寸為50mm X 46mm X 3mm(壁厚)。對成型後的方管進行表面打磨、清洗處理後，按車底架長度裁切、備用。
[0042](2)準備預成型體:
在內置電阻絲加熱系統的複合材料車底架模具(即剛性模具5)工作面上進行打磨清理處理後，塗覆脫模劑，備用。根據車底架增強材料用量，將碳纖維多軸向織物(購自江蘇恆神纖維材料有限公司)剪裁成15000mmX 2800mm方塊，玻璃纖維氈(購自江蘇丹陽中亞玻璃纖維有限公司)剪裁成15000mmX46mm長條,在105°C烘箱中烘乾1h,備用。
[0043]在準備好的車底架模具上，根據設計要求，依次鋪放10層15000mmX 2800mm碳纖維多軸向織物(即下面板增強材料2)後，在織物鋪層上平行鋪放前期準備的54根中空矩形管4，相鄰中空矩形管4之間插入I塊15000mm (長)X46mm (作為高)的玻璃纖維氈(即管間插層增強材料3，厚為1.7mm)，然後在中空矩形管4上繼續鋪放5層15000mmX 2800mm多軸向碳纖維織物(即上面板增強材料I)，得到預成型體。
[0044](3)組裝VMP成型系統:根據真空導入走膠工藝設計，在步驟(2)得到的預成型體上依次鋪放脫模布9和導流網6，並設置好注膠咀7-1和溢膠咀10-1 (即抽氣口)，在剛性模具5周邊距纖維床10mm處粘貼密封膠條11，然後在剛性模具5外圍包覆真空袋膜8形成一模腔，使預成型體、脫模布9、導流網6、注膠咀7-1、溢膠咀10-1均密封於模腔中，再將注膠咀7-1通過注膠管7-2連接至一注膠系統，將溢膠咀10-1通過溢膠管10-2連接至一抽真空系統，抽真空系統包括樹脂收集器(與溢膠管10-2相連)和真空泵(與樹脂收集器相連)，得到VMP成型系統。
[0045](4)真空注膠:檢查VMP成型系統的氣密性後，準備樹脂體系並開啟真空泵，將環氧樹脂EP0LAM2040及其固化劑2047按100: 40的體積比混合後，將注膠管7_2插入注膠系統的膠桶中，打開注膠閥門，使膠液在真空壓力作用下導入密封模腔中，通過注膠管7-2、導流網6等迅速分流、浸滲纖維床中的增強織物後，關閉注膠閥門。
[0046](5)共固化成型:維持系統真空，並在真空袋膜上覆蓋保溫棉被，啟動模具加熱裝置，使模具升溫至70°C，保溫6h，使密封在真空袋膜內的夾芯結構複合材料固化。
[0047](6)後續處理:脫除真空袋膜8、脫模布9、導流網6、注膠咀7_1、注膠管7_2、溢膠咀10-1、溢膠管10-2等輔助材料，輕輕敲擊，使中空矩形管夾芯結構複合材料車底架與複合材料模具分離，去除飛邊，得到中空矩形管夾芯結構複合材料車底架產品。
[0048]經測試，該中空矩形管夾芯結構複合材料車底架重量僅1050kg，比原鋁合金構件重量減輕22.5%。載荷試驗表明，複合材料車底架的應力應變水平都低於材料應力許用值，並滿足車底架設計要求。
[0049]以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例。凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應該指出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下的改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種夾芯結構複合材料，其特徵在於，所述夾芯結構複合材料包括上面板、下面板和芯層，所述芯層位於上面板和下面板之間，所述芯層包括至少2根中空矩形管，所述中空矩形管以並列平行的方式排布於所述芯層中，相鄰的所述中空矩形管之間設有管間插層。
2.根據權利要求1所述的夾芯結構複合材料，其特徵在於，所述中空矩形管是由單向纖維增強樹脂基複合材料構成，所述單向纖維增強樹脂基複合材料中的增強材料包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維中的一種或多種，所述單向纖維增強樹脂基複合材料中的樹脂基體包括聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂中的一種或多種。
3.根據權利要求1所述的夾芯結構複合材料，其特徵在於，所述管間插層是由纖維增強樹脂基複合材料構成，所述纖維增強樹脂基複合材料中的纖維增強材料包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維中的一種或多種，所述纖維增強材料的形式包括多軸向織物或氈，所述纖維增強樹脂基複合材料中的樹脂基體包括聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂中的一種或多種。
4.根據權利要求1所述的夾芯結構複合材料，其特徵在於，所述上面板和下面板均是由多軸向織物增強樹脂基複合材料構成，所述多軸向織物包括玻璃纖維多軸向織物、碳纖維多軸向織物、芳綸纖維多軸向織物中的一種或多種，所述樹脂基體包括聚酯樹脂、環氧樹月旨、酚醛樹脂中的一種或多種。
5.根據權利要求1?4中任一項所述的夾芯結構複合材料，其特徵在於，所述中空矩形管橫截面的外邊長為5mm?150mm。
6.根據權利要求1?4中任一項所述的夾芯結構複合材料，其特徵在於，所述中空矩形管的管壁厚度為Imm?10mm。
7.根據權利要求1?4中任一項所述的夾芯結構複合材料，其特徵在於，所述管間插層的厚度為0.5mm?5.0mm。
8.根據權利要求1?4中任一項所述的夾芯結構複合材料，其特徵在於，所述上面板的厚度為0.2mm?20mm ;所述下面板的厚度為0.2mm?20mm。
9.一種如權利要求1?8中任一項所述的夾芯結構複合材料的製備方法，包括以下步驟: (1)準備中空矩形管:採用拉擠成型工藝製備預設尺寸的中空矩形管； (2)準備預成型體:在一剛性模具上依次鋪放夾芯結構複合材料所需的下面板增強材料、中空矩形管、管間插層增強材料和上面板增強材料，得到預成型體； (3)組裝VMP成型系統:在所述預成型體上依次鋪放脫模布和導流網，並設置好注膠咀和溢膠咀，然後在所述剛性模具外圍包覆真空袋膜形成一模腔，將所述預成型體、脫模布、導流網、注膠咀、溢膠咀均密封於模腔中，再將所述注膠咀、溢膠咀分別連接至VIMP工藝用注膠系統和抽真空系統，得到VIMP成型系統； (4)真空注膠:檢查所述VIMP成型系統的氣密性後，準備樹脂體系，通過抽真空方式向VIMP成型系統的模腔中注入所述樹脂體系，直至樹脂充填完畢，停止注入； (5)共固化成型:按照預設的固化制度進行共固化成型； (6)後續處理:共固化成型後，先將所述真空袋膜、導流網、脫模布和剛性模具全部卸除，對成型後的固化體進行後處理，得到夾芯結構複合材料。
10.根據權利要求9所述的製備方法，其特徵在於，所述共固化成型時的固化制度為:在20°C?220°C下保溫固化Ih?24h。
【文檔編號】B29C70/36GK104401011SQ201410596432
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月30日 優先權日:2014年10月30日
【發明者】曾竟成, 劉鈞, 肖加餘, 彭超義 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學