一種預浸織物的摺疊結構及其成型方法

2023-06-18 03:24:56

專利名稱：一種預浸織物的摺疊結構及其成型方法
技術領域：
本發明屬於複合材料及其成型技術領域，涉及一種預浸織物的摺疊結構及其成型方法。
背景技術：
夾芯「三明治」(Sandwich)結構是由兩塊高強度 的上下蒙皮和充填其中的輕質芯材所組成。夾芯結構一般是通過粘結劑將上下蒙皮和芯材粘結成整體，或直接通過模壓或注塑獲得。在受力特徵上，當夾芯結構承受彎曲載荷時，上蒙皮被拉伸，下蒙皮被壓縮，芯材傳遞剪切力。從力學角度分析，夾芯結構與工字梁相似，上下蒙皮相當於工字梁的上下凸緣，芯材相當於工字梁的腹板。與工字梁不同的是，夾芯結構中的芯材與面板不是同一種性質的材料，芯材是分散的，而不是集中在腹板上。由於輕質芯材的高度比面板高出幾倍，剖面的慣性距隨之成四次方比增大，因而夾芯結構有芯材的支持穩定性大幅提升。在此類結構中，面板可以很薄，與實心結構相比要輕得多且剛度大，減重效果極為明顯，因而是一種高效的結構材料。此類結構目前已被廣泛應用於航空、航天、船舶、汽車及建築等領域。蜂窩夾芯結構是目前應用最為廣泛的夾芯結構，蜂窩芯材的力學性能不僅與其材料相關，而且與其幾何形狀密切相關。根據芯材的幾何形狀，蜂窩芯材可以分為六邊形蜂窩、菱形蜂窩、矩形蜂窩、五角形蜂窩等；根據蜂窩芯材的材料，蜂窩可以分為紙蜂窩、金屬蜂窩、聚合物蜂窩、陶瓷蜂窩等新型人造蜂窩。蜂窩夾芯結構自問世以來，由於其具有比剛度大、比強度高等優異的力學性能，因而在航空航天等諸多高端領域得到較為廣泛的應用。但隨著對飛機經濟性和安全性要求的提高，蜂窩結構的一些缺點也慢慢凸顯。首先，蜂窩結構的製備工藝複雜，環境汙染大，工藝成本和資源成本較高。以航空級紙蜂窩製備為例，其一般的工藝為捲紙上架-聯機-設備(烘箱)升溫-調節膠條狀態-刷膠-收紙-熱壓粘接-拉伸-浸膠-固化-修邊切割-檢驗-成品，該工藝流程長，且在浸膠過程中需要使用溶劑，環境汙染大。其次，蜂窩與面板的粘接強度不高，全壽命耐久性性較差，結構的維護成本高。最後，由於蜂窩結構一般為閉合的結構，即結構不通透，此類結構在使用過程中一旦破損容易產生積水，造成材料性能急劇劣化，結構承載效能降低。

發明內容
本發明的目的是設計並製備一種環境汙染小、工藝成本和資源成本較低、在使用過程中一旦破損不易產生積水的預浸織物的摺疊結構及其成型方法。本發明的技術方案是所述的一種預浸織物的摺疊結構及其成型方法，其特徵在於，該預浸織物摺疊結構的製備步驟如下(I)準備預浸織物，預浸織物由織物和熱固性樹脂組成，織物可以為碳纖維織物、玻璃纖維織物、芳綸纖維織物、植物纖維織物或混雜纖維織物，織物的形式可為平紋織物、斜紋織物或緞紋織物，熱固性樹脂為環氧樹脂、酚醛樹脂、聚醯亞胺樹脂、不飽和聚酯樹脂，氰酸酯樹脂或苯並噁嗪樹脂，織物的面密度為10g/m2至1000g/m2，織物中樹脂的重量百分數為30%至50% ；(2)壓制摺痕，根據經向單元格尺寸和緯向單元格尺寸，手工或機械壓制摺痕，摺痕包括斜向下摺痕，斜向上摺痕，經向上摺痕和經向下摺痕；(3)織物摺疊，在織物的經向和緯向施加壓力，使織物沿上摺痕向上摺疊，沿下摺痕向下摺疊，形成摺疊體；(4)摺疊體預固化，將摺疊體在烘箱或烘道中進行預固化，使摺疊體中樹脂的預固化度不大於0. I至0. 5，預固化後預浸織物的玻璃化轉變溫度為T1 ；(5)調整摺疊結構參數，將預固化的預浸織物加熱到T1以上5°C至10°C，在預固化後的預浸織物的經向和緯向施加拉力，調整摺疊結構的經向夾角和緯向夾角，經向夾角的 範圍為5度至85度，緯向夾角的範圍為5度至85度；(6)摺疊結構固化，將調整完參數的織物預浸結構在模具或其它預加張力的設備上按樹脂原有固化工藝固化，獲得預浸織物摺疊結構。所述的一種預浸織物的摺疊結構及其成型方法，其特徵在於，經向單元格的尺寸為5mm至5000mm，緯向單元格的尺寸為5mm至5000mm，經向單元格與緯向單元格的尺寸比例為I : 20至20 I。所述的一種預浸織物的摺疊結構及其成型方法，其特徵在於，摺疊結構可以是經向單元格尺寸、緯向單元格尺寸、經向夾角和緯向夾角相同的多層摺疊結構的疊合結構。所述的多層摺疊結構的疊合結構，其特徵在於，多層摺疊結構的疊合結構可採用共固化或共膠結的工藝製備，共固化需要施加0. IMPa至0. 7MPa的壓力，共膠結選用其最終玻璃化轉變溫度大於預浸織物中樹脂最終玻璃化轉變溫度5°C以上的膠膜。本發明的優點是本發明的結構設計特點及結構優點在於，它通過將預浸了熱固性樹脂的織物手工或機械壓制摺痕，進行摺疊後預固化拉伸，形成單元格和摺疊角參數可變的摺疊結構。該結構因由摺疊工藝製備而具有多層次、輕量化的特性。另一方面，因單元格和摺疊角參數可設計，具有設計性強、三維剛度可調的特點。從整體上將，該結構整體通透，且選材自由，製備工藝簡單，是一種新型的結構化的複合材料結構或其夾芯材料，可廣泛應用於輕質、雙向加強、抗損毀的結構。本發明提出的一種預浸織物的摺疊結構及其成型方法，其基本思想是從平面預浸織物出發，通過簡單的摺疊變形工藝而形成一種三向均有可調剛度的結構。該摺疊變形工藝適用於各種易於變形摺疊的預浸織物，同時能提供廣闊的結構參數及性能調整空間。更重要的是，這種摺疊工藝形成的結構具有整體通透的特點，可以有效解決結構服役過程中因破損積水而導致的安全性降低的問題。


圖I是本發明摺痕示意圖；圖2是本發明完成摺疊摺痕的單元格示意圖。
具體實施方式
下面對本發明做進一步詳細說明。本發明一種預浸織物的摺疊結構及其成型方法，其製備步驟如下(I)準備預浸織物，預浸織物由織物和熱固性樹脂組成，織物可以為碳纖維織物、玻璃纖維織物、芳綸纖維織物、植物纖維織物或混雜纖維織物，織物的形式可為平紋織物、斜紋織物或緞紋織物，熱固性樹脂為環氧樹脂、酚醛樹脂、聚醯亞胺樹脂、不飽和聚酯樹脂，氰酸酯樹脂或苯並噁嗪樹脂，織物的面密度為10g/m2至1000g/m2，織物中樹脂的重量百分數為30%至50% ；(2)壓制摺痕，根據經向單元格尺寸I和緯向單元格尺寸2，手工或機械壓制摺痕，摺痕包括斜向下摺痕3，斜向上摺痕4，經向上摺痕5和經向下摺痕6 ；(3)織物摺疊，在織物的經向和緯向施加壓力，使織物沿上摺痕向上摺疊，沿下摺痕向下摺疊，形成摺疊體； (4)摺疊體預固化，將摺疊體在烘箱或烘道中進行預固化，使摺疊體中樹脂的預固化度不大於0. I至0. 5，預固化後預浸織物的玻璃化轉變溫度為T1 ；(5)調整摺疊結構參數，將預固化的預浸織物加熱到T1以上5°C至10°C，在預固化後的預浸織物的經向和緯向施加拉力，調整摺疊結構的經向夾角7和緯向夾角8，經向夾角7的範圍為5度至85度，緯向夾角的範圍為5度至85度；(6)摺疊結構固化，將調整完參數的織物預浸結構在模具或其它預加張力的設備上按樹脂原有固化工藝固化，獲得預浸織物摺疊結構。本發明通過將預浸了熱固性樹脂的織物手工或機械壓制摺痕，進行摺疊後預固化拉伸，形成單元格和摺疊角參數可變的摺疊結構。該結構具有多層次、輕量化、參數設計性強、三維剛度可調、整體結構通透的特點，且選材自由，製備工藝簡單，是一種新型的結構化的複合材料結構或其夾芯材料，可廣泛應用於輕質、雙向加強、抗損毀的結構。實施例I :採用CF3031/5228A碳纖維織物預浸料製備單層摺疊結構，其具體步驟如下(I)準備CF3031/5228A預浸織物採用熱溶法製備CF3031/5228A碳纖維預浸織物，碳纖維織物的面密度為220g/m2，織物中環氧5228A的重量百分數為38%。(2)壓制摺痕，將經向和緯向單元格尺寸分別設定為50mm和60mm，按圖I的模式手工壓制斜向下摺痕、斜向上摺痕、經向上摺痕和經向下摺痕。(3)織物摺疊，在織物的經向和緯向施加壓力，使織物沿上摺痕向上摺疊，沿下摺痕向下摺疊，形成摺疊體。(4)摺疊體預固化，將摺疊體在烘箱中130°C預固化I小時，使摺疊體中樹脂的預固化度不大於0. 2，預固化後預浸織物的玻璃化轉變溫度為75°C。(5)調整摺疊結構參數，將預固化的碳纖維預浸織物加熱到100°C，在預固化後的預浸織物的經向和緯向施加拉力，調整摺疊結構的經向夾角為60°，緯向夾角為45°。(6)摺疊結構固化，將調整完參數的織物預浸結構在模具中按180°C /2h的工藝固化，即可獲得碳纖維CF3031/5228A織物單層摺疊結構。實施例2 採用CF3031/5228A碳纖維織物預浸料膠結製備四層摺疊結構。該實施例與實施例I的不同在於按實施例I的⑴至(5)步製備四張尺寸相同的單層摺疊結構後，採用SY-14膠膜粘接這四個單層摺疊結構，在模具中按180°C /2h的工藝固化加0. 3MPa的接觸壓固化，即可獲得CF3031/5228A碳纖維織物預浸料膠結製備的四層摺疊結構。實施例3:採用CF3031/5228A碳纖維織物預浸料共固化製備四層摺疊結構。該實施例與實施例2的不同在於將摺疊體在烘箱中130°C預固化30min，在模具中按180°C /2h的工藝固化加0. 6MPa的接觸壓固化，即可獲得CF3031/5228A織物預浸料共固化製備的四層摺疊結構。實施例4 採用SW280/III型苯並噁嗪樹脂玻璃纖維織物預浸料製備單層摺疊結構，其具體步驟如下(I)準備SW220/III型苯並噁嗪樹脂預浸織物採用熱溶法製備SW280/III型苯並噁嗪樹脂預浸織物，玻璃纖維織物的面密度為280g/m2，織物中III型苯並噁嗪樹脂的重量百分數為50%。(2)壓制摺痕，將經向和緯向單元格尺寸分別設定為120mm和150mm，按圖I的模式手工壓制斜向下摺痕、斜向上摺痕、經向上摺痕和經向下摺痕。(3)織物摺疊，在織物的經向和緯向施加壓力，使織物沿上摺痕向上摺疊，沿下摺痕向下摺疊，形成摺疊體。(4)摺疊體預固化，將摺疊體在烘箱中150°C預固化20min，使摺疊體中樹脂的預固化度不大於0. 15，預固化後預浸織物的玻璃化轉變溫度為90°C。(5)調整摺疊結構參數，將預固化的玻璃纖維預浸織物加熱到110°C，在預固化後的預浸織物的經向和緯向施加拉力，調整摺疊結構的經向夾角為40°，緯向夾角為75°。(6)摺疊結構固化，將調整完參數的織物預浸結構在模具中按185°C /3h的工藝固化，即可獲得SW280/III型苯並噁嗪樹脂玻璃纖維織物單層摺疊結構。實施例5 採用SW280/III型苯並噁嗪樹脂玻璃纖維織物膠結製備雙層摺疊結構。該實施例與實施例4的不同在於按實施例4的⑴至(5)步製備兩張尺寸相同的單層摺疊結構後，採用SY-14膠膜粘接這兩個單層摺疊結構，在模具中按185°C /3h的工藝固化加0. 2MPa的接觸壓固化，即可獲得SW280/III型苯並噁嗪樹脂玻璃纖維織物預浸料膠結製備的雙層摺疊結構。實施例6 採用SW280/III型苯並噁嗪樹脂玻璃纖維織物共固化製備雙層摺疊結構。該實施例與實施例4的不同在於將摺疊體在烘箱中150°C預固化15min，在模具中按185°C /3h的工藝固化加0. 5MPa的接觸壓固化，即可獲得SW280/III型苯並噁嗪樹脂玻璃纖維織物預浸料共固化製備的雙層摺疊結構。實施例I 採用DP328/3233環氧樹脂芳綸纖維織物預浸料製備單層摺疊結構，其具體步驟如下(I)準備DP328/3233環氧樹脂芳綸纖維預浸織物採用熱溶法製備DP328/3233環氧樹脂芳綸纖維預浸織物，芳綸纖維織物的面密度為231g/m2，織物中III型苯並噁嗪樹脂的重量百分數為43%。(2)壓制摺痕，將經向和緯向單元格尺寸分別設定為200mm和300mm，按圖I的模式機械壓制斜向下摺痕、斜向上摺痕、經向上摺痕和經向下摺痕。(3)織物摺疊，在織物的經向和緯向施加壓力，使織物沿上摺痕向上摺疊，沿下摺痕向下摺疊，形成摺疊體。(4)摺疊體預固化，將摺疊體在烘箱中80°C預固化30min，使摺疊體中樹脂的預固化度不大於0. 25，預固化後預浸織物的玻璃化轉變溫度為50°C。(5)調整摺疊結構參數，將預固化的芳綸纖維預浸織物加熱到60°C，在預固化後的預浸織物的經向和緯向施加拉力，調整摺疊結構的經向夾角為60°，緯向夾角為48°。(6)摺疊結構固化，將調整完參數的織物預浸結構在模具中按125°C /2h的工藝固化，即可獲得DP328/3233環氧樹脂芳綸纖維織物單層摺疊結構。實施例8 採用DP328/3233環氧樹脂芳綸纖維織物預浸料膠結製備三層摺疊結構。該實施例與實施例4的不同在於按實施例4的⑴至(5)步製備三張尺寸相同的單層摺疊結構後，採用SY-24膠膜粘接這三個單層摺疊結構，在模具中按125°C /2h的工藝固化加0. 35MPa的接觸壓固化，即可獲得DP328/3233環氧樹脂芳綸纖維織物預浸料膠結製備的三層摺疊結構。實施例9 採用DP328/3233環氧樹脂芳綸纖維織物預浸料共固化製備三層摺疊結構。該實施例與實施例7的不同在於將摺疊體在烘箱中80°C預固化20min，在模具中按125°C /2h的工藝固化加0. 55MPa的接觸壓固化，即可獲得DP328/3233環氧樹脂芳綸纖維織物預浸料共固化製備的三層摺疊結構。權利要求
1.一種預浸織物的摺疊結構及其成型方法，其特徵在於，該預浸織物摺疊結構的製備步驟如下 (A)準備預浸織物，預浸織物由織物和熱固性樹脂組成，織物可以為碳纖維織物、玻璃纖維織物、芳綸纖維織物、植物纖維織物或混雜纖維織物，織物的形式可為平紋織物、斜紋織物或緞紋織物，熱固性樹脂為環氧樹脂、酚醛樹脂、聚醯亞胺樹脂、不飽和聚酯樹脂，氰酸酯樹脂或苯並噁嗪樹脂，織物的面密度為10g/m2至1000g/m2，織物中樹脂的重量百分數為30%至50% ； (B)在織物上壓制摺痕，根據經向單元格尺寸(I)和緯向單元格尺寸(2)，手工或機械壓制摺痕，摺痕包括斜向下摺痕(3)，斜向上摺痕(4)，經向上摺痕(5)和經向下摺痕(6)； (C)織物摺疊，在織物的經向和緯向施加壓力，使織物沿上摺痕向上摺疊，沿下摺痕向下摺疊，形成摺疊體； (D)摺疊體預固化，將摺疊體在烘箱或烘道中進行預固化，使摺疊體中樹脂的預固化度不大於0. I至0. 5，預固化後預浸織物的玻璃化轉變溫度為T1 ； (E)調整摺疊結構參數，將預固化的預浸織物加熱到T1以上5°C至10°C，在預固化後的預浸織物的經向和緯向施加拉力，調整摺疊結構的經向夾角(7)和緯向夾角(8)，經向夾角(7)的範圍為5度至85度，緯向夾角(8)的範圍為5度至85度； (F)摺疊結構固化，將調整完參數的織物預浸結構在模具或其它預加張力的設備上按樹脂原有固化工藝固化，獲得預浸織物摺疊結構。
2.根據權利要求I所述的一種預浸織物的摺疊結構及其成型方法，其特徵在於，經向單元格(I)的尺寸為5mm至5000mm，緯向單元格⑵的尺寸為5mm至5000mm，經向單元格(I)與緯向單元格⑵的尺寸比例為I : 20至20 : I。
3.根據權利要求I所述的一種預浸織物的摺疊結構及其成型方法，其特徵在於，摺疊結構是經向單元格⑴尺寸、緯向單元格⑵尺寸、經向夾角(7)和緯向夾角⑶相同的多層摺疊結構的疊合結構。
4.根據權利要求I和權利要求3所述的多層摺疊結構的疊合結構，其特徵在於，多層摺疊結構的疊合結構可採用共固化或共膠結的工藝製備，共固化需要施加0. IMPa至0. 7MPa的壓力，共膠結選用其最終玻璃化轉變溫度大於預浸織物中樹脂最終玻璃化轉變溫度5°C以上的膠膜。
全文摘要
本發明涉及一種預浸織物的摺疊結構及其成型方法，屬於複合材料及其成型技術領域。本發明通過將預浸了熱固性樹脂的織物手工或機械壓制摺痕，進行摺疊後預固化拉伸，形成單元格和摺疊角參數可變的摺疊結構。該結構具有多層次、輕量化、參數設計性強、三維剛度可調、整體結構通透的特點，且選材自由，製備工藝簡單，是一種新型的結構化的複合材料結構或其夾芯材料，可廣泛應用於輕質、雙向加強、抗損毀的結構。
文檔編號B29C53/04GK102653133SQ201210117040
公開日2012年9月5日 申請日期2012年4月19日 優先權日2012年4月19日
發明者劉燕峰, 安學鋒, 張明, 益小蘇, 趙文明 申請人:中國航空工業集團公司北京航空材料研究院