一體化的耐久型柱芯封邊夾層板的製作方法
2023-04-25 07:32:21
專利名稱：一體化的耐久型柱芯封邊夾層板的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種仿生輕質封邊夾層(芯)板,尤其涉及一種輕質耐久型柱芯封邊夾層板構造。
背景技術：
(蜂窩)夾層板已經在工業中得到廣泛的應用，一種一體化有柱蜂窩仿生夾層板也已提出數年(專利號ZL. 03116503. 6)，但過去蜂窩板材都是通過粘結或鑲嵌等多體成型工藝製作。本發明人在優秀生物結構的吸引下，經過堅持不懈的努力，率先開發了一體化(有柱)蜂窩技術(專利號ZL 2010 2 0113926. 9，ZL201010228680. 4)及其一種一體化蜂窩板的仿生封邊技術(專利申請號2011 I 0234562.9)。本發明的思路仍然來自於對甲蟲前翅的研究結果，受優秀生物結構的啟發所致·申請人:長期對甲蟲前翅結構及其仿生輕質複合材料開發的研究中再次發現1)獨角仙和鍬形蟲均有具有中空層，和天然的封邊結構。兩種甲蟲的中空層中除了都有很多小柱以外，獨角仙前翅中有許多蜂窩結構，結構更為複雜，而鍬形蟲前翅中則沒有；2)獨角仙前翅中的小柱細而長，鍬形蟲的小柱粗而短，同時每平方毫米上平均的小柱密度，鍬形蟲約為35，獨角仙大約6，兩者相差近6倍；3)前翅斷面中的中空率，獨角仙高，而揪形蟲低，相差約為2倍，因此揪形蟲前翅遠比獨角仙厚實。據此可知，鍬形蟲主要通過數量(小柱直徑，密度，上下層厚度)的變化，達到厚實耐久的設計效果，而獨角仙則通過更多設計手法，如蜂窩結構和(雄性)前翅纖維疊層的非等角的疊層結構來達到輕量化的目的。那麼，為什麼這兩種甲蟲會有這麼大的區別呢？這很可能和甲蟲的生存期限有關鍬形蟲有的能夠越冬，而獨角仙則不能越冬，大約只能生存數周。雖然沒有考證兩種甲蟲準確的生存期限，粗略地假設鍬形蟲生存期限為2年，而獨角仙為1-2個月，則其生存期限的差異約為10多倍。從工程意義上講，不妨稱鍬形蟲為「耐用品」，而獨角仙為一次性的「消耗品」。另外，如前所述雄性獨角仙因經常爭鬥，其前翅中容易出現小孔洞，這可以理解為獨角仙前翅在強度上不如鍬形蟲前翅。因此鍬形蟲的前翅耐久性更好。儘管目前有根據本人所得的甲蟲前翅中小柱結構模型進行強度解析的報導，但尚無對含有封邊結構及其鍬形蟲的前翅耐久性結構特徵的報導，因此，根據對甲蟲前翅最新的認識，以鍬形蟲前翅結構特徵為原型，提煉出了一種輕質耐久型柱芯封邊夾層強化板的仿生結構。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，通過對獨角仙和鍬形蟲兩種甲蟲的研究，提供了一種無需蜂窩狀結構而具有耐久性好、結構簡單易於加工的耐久型柱芯封邊夾層板。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是一種耐久型柱芯封邊夾層板，包括具有中空層的板體，其中中空層由上層、下層和封邊圍合而成，其特徵在於所述的中空層的的厚度與板體的厚度之比為10 60%，在所述的中空層內設置有分散的與板體成一體的小柱，小柱的一端與上層連接，小柱的另一端與下層連接，且均為天然一體的無縫連接，小柱面積之和佔中空層面積的10 50%，所述小柱換算成與圓同面積下直徑的特徵尺寸大於中空層厚度的二分之一。上述參數,如用數式表示為0.1 ^ ^ 0.5(I)0.1<-^<0.6 (2)
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2上述各式中，S為板內中空層的面積，Lv為板的中空層厚度，T為板的總厚度，d為小柱的等效直徑，St代表板所有小柱的面積之和，它由正式計算St = Χ^-Χ (~)2(n為板內小柱的根數) ⑷上述⑴到⑷式中，共有S，Lv, T, d, St和η六個獨立的參數，因此可通過調整這六個獨立的參數達到積各自前三式中所設定的取值範圍，不會發生相互衝突的情況。所述的小柱為圓柱、稜形或長方形柱。所述的板體和小柱的材料為均質材料，或由強化纖維和樹脂構成的異方性的複合材料。小柱密度均勻分布；或者小柱密度或直徑從板體的一側向另一側依據板體強度大小變化，板體強度要求大，則小柱密度或直徑大；板體強度要求小，則小柱密度或直徑小。板體外形為平面板、曲面板或球形板，並且中空層的厚度可根據位置變化。也就是說，如板總厚度一定，上層板一端百度為5mm，另一端為3mm，這樣中空層厚度自然是變化的。夾層板的封邊側帶橫向聯接結構。經觀察研究，正如「背景技術」所述的那樣，根據鍬形蟲前翅結構特徵為原型，去掉了申請人在在之前幾份專利申請中的蜂窩結構，它由上層、下層和含有小柱的中空層(芯層)及其四周的封邊部分組成。這種一體化夾層強化板，它既不要粘接，也無需用釘子，鑲嵌等的機械連接，而且具有簡便易行，無任何接縫，天然一體等優點。此外，在我們一系列的研究中已經證實，由於甲蟲前翅中有小柱，小柱內有纖維與上層、下層天然一體的連接在一起，而且封邊部分為一邊框結構，它們的存在，能夠讓前翅獲得足夠的抗彎，抗壓強度，並能有效地增加前翅上層或下層層間的抗剝離強度等力學性能。當然，作為一種輕質耐久型柱芯封邊夾層強化板，它還具有如下特有的一些結構參數特徵具有天然一體的封邊結構；中空率(中空層與板總厚度之比)在10-60%之間；小柱面積百分率在10-50%之間；小柱直徑大於中空層高度的二分之一以上。其材料可以是一種均質材料，也可以是由強化纖維和樹脂等構成的異方性的複合材料。
本發明結構為具有中空層的三夾板，因此具有蜂窩板所具有的典型的輕質特徵。同時，申請人對本發明結構中的核心部分一小柱結構結構的作用進行了研究。已通過對甲蟲前翅的力學實驗證實了前翅中的小柱結構則可以有效地提高複合材料的層間抗剝離強度。現簡述於下圖7(a)為鮮活甲蟲前翅下層的剝離曲線$(6)，試驗片為2!11111寬)，圖中橫軸試驗片的被剝離的長度(_)，縱軸為試驗片的總剝離力(N)。由圖7(a)可見，剝離曲線上有很多鋸齒型的波峰(Ft(S))存在，波峰的數目與試驗片中小柱的根數相對應，是由於小柱中的纖維被拉斷而引起的。據此，圖7(b)給出了前翅剝離實驗曲線的理想模型試驗片中小柱單列，並且較疏排列時，小柱一根被拉斷(鋸齒部分Ft(S))後，經過層間剝離層(平坦部分F1(S))後，再拉斷下一根小柱時的理想模型。只是實際上試驗片寬度約為2_時，小柱為不規則的(多列)排列，往往有多根小柱被同時拉起的情況，所以以上鋸齒形也相互重疊，在實際的剝離曲線上很少能看到平坦部分。因此，理想情況模型中剪頭所示的平坦部分(F1(S)),與沒有小柱的部位相對應，可認為是由幾質纖維層間的粘結力所造成.據此可以求得有小柱和沒有小柱時相比的抗剝離強化倍數。經初步實驗表明，有小柱存在處時，抗剝離強化倍數平均能達到約3倍左右。在此基礎上，還通過在生物電子顯微鏡(ESEM)下對剝離過程照片的分析，建立有限元模型，通過解析探明了小柱結構可以有效地緩解應力集中的機理。因此前翅中的小柱結構，對層狀纖維強化的複合材料而言，可以 極其有效地提高層疊複合材料層間抗剝離性能等指標。此外正如背景技術所述，獨角仙前翅中的小柱細而長，鍬形蟲的小柱粗而短，同時每平方毫米上平均的小柱密度，鍬形蟲約為35，獨角仙大約6，兩者相差近6倍；前翅斷面中的中空率，獨角仙高，而揪形蟲低，相差約為2倍，因此揪形蟲前翅遠比獨角仙厚實。在生物的作用(功能)上，鍬形蟲壽命有的比獨角仙長10倍以上。這從功能上講，鍬形蟲更象是「耐用品」。而本發明的板材是根據鍬形蟲結構(參數)為原型提出的，它以小柱為核心，四周封邊的天然一體的整體板材，因此不僅從結構，實際作用(功能)上，而且從實驗結果上都可以推斷是一種耐久型結構，從結構上分析，在中空層設置小柱必然能提高板體的強度，而且小柱的密度越大，強度越高，但密度大則帶來造價高、質量大的問題，本發明就是在中空層厚度、小柱密度和小柱的結構尺寸進行關聯，形成一個整體並進行優化選擇，從而得到一個強度高、造價低且輕質的夾層板。本發明的優點及其顯著效果本發明提供了一種一體化的耐久型仿生封邊夾層板。它在具有輕質，高強，一體化製備蜂窩板無需粘結劑，低碳環保，具有可設計性高，工藝簡單等特點。還可以根據需要在中空中填入具有隔音、阻燃等材料，形成具有隔音、阻燃等功能專用板材；同時比一體化蜂窩板，能更加方便地實現成品或半成品的生產。因此，本發明具有很好社會效益的優點，為夾層板開闢了更多的應用領域，是一種通過提高現行夾層(蜂窩)板材技術含量增加經濟效益的有效方法。
圖I 一種輕質耐久型柱芯封邊夾層板結構簡易模型；(a)用黑粗線示意了內部結構的夾層板的概念圖；(b)斜切剖面透視圖。圖2 —種輕質耐久型柱芯封邊夾層板結構參數。圖3 —種輕質耐久型柱芯封邊夾層圓形板。
圖4帶橫向聯接功能的輕質耐久型柱芯封邊夾層板結構(a)溝槽型(b)凹凸條型。圖5小柱均勻分布的輕質耐久型柱芯封邊夾層板；(a)行列整齊分布，(b)行列交叉分布。圖6小柱變化分布的輕質耐久型柱芯封邊夾層板；(a)直徑變化，(b)密度變化。圖7前翅剝離實驗結果示意圖；(a)剝離曲線，(b)假設小柱單列排列時的剝離曲線模型。
具體實施方式
附圖中編號的說明1 一體化輕質耐久型柱芯封邊夾層板,2小柱，3封邊，4，中空層，5上層面板，6下層面板，7 —體化輕質耐久型柱芯封邊夾層圓形板，8圓形封邊，9加粗功能性小柱，10左溝槽，11帶溝槽夾層板，12右溝槽，13凸條，14帶凹凸條的夾層板，15凹條。
具體實施例方式實施例I圖I為一種一體化的輕質耐久型柱芯封邊夾層板(結構)，其斷面由上層，下層和中空層組成，中空層中分布有小柱，板材四周具有天然一體的封邊結構，其中空率為33%，即中空層的厚度Lv大致佔板體總厚度T的三分之一，其中板體上層的厚度為Lu，板體下層的厚度為Ld。小柱與上下層也是天然一體結構，小柱面積在中空層的百分率約為20%，小柱直徑約為中空層高度的一半；採用均質材料(這個可不要，因為中空的，為輕質，應該是公認的，強度等前面已經綜述過了)。實施例2一種一體化的輕質耐久型柱芯封邊夾層板(結構)，其斷面由上層，下層和中空層組成，中空層中分布有小柱，板材四周具有天然一體的封邊結構，其中空率為10% ;小柱與上下層也是天然一體結構，小柱面積在中空層的百分率約為10%，小柱直徑約為中空層高度的一半；其材料為玄武巖短纖維和先進樹脂基樹脂的複合材料。實施例3一種一體化的輕質耐久型柱芯封邊夾層板(結構)，其斷面由上層，下層和中空層組成，中空層中分布有小柱，板材四周具有天然一體的封邊結構，其中空率為60% ;小柱與上下層也是天然一體結構，小柱面積在中空層的百分率約為50%，小柱直徑約為中空層高度的三分之二 ；其為異方性材料連續玄武巖長纖維和樹脂的複合材料。實施例4一種一體化的輕質耐久型柱芯封邊夾層板(結構)，其斷面由上層，下層和中空層組成，中空層中分布有小柱，板材四周具有天然一體的封邊結構，其中空率為33%，；小柱與上下層也是天然一體結構，小柱面積在中空層的百分率約為15%，小柱直徑約為中空層高度的五分之三；其材料為碳短纖維和先進樹脂基樹脂的複合材料。。實施例5 —體化輕質耐久型柱芯封邊夾層圓形平板如圖3所示為一圓形輕質耐久型柱芯封邊夾層板的(水平面)斷面示意圖。圖中9為加粗的小柱，在實際製備時可用於預埋預用於三維聯接的預埋件，以便於與其它部件組裝成成品。實施例6帶橫向聯接功能的輕質耐久型柱芯封邊夾層板結構如在陰模內側設計相應的溝槽(圖4a)或凹凸條型(圖4b)，以便實現聯接；實施例7小柱均勻分布的輕質耐久型柱芯封邊夾層板；如行列整齊分布(a)，行列交叉分布(b)，以達到均勻的受力目的；
實施例8小柱變化分布的輕質耐久型柱芯封邊夾層板如直徑變化(a)，密度變化(b)，以製備梯度功能板材，或獲得特殊的力學性能。
權利要求
1.一種一體化的耐久型柱芯封邊夾層板，包括具有柱芯中空層的板體，其中中空層由上層、下層和封邊圍合而成，其特徵在於所述的中空層的厚度與板體的厚度之比為10 60%，在所述的中空層內設置有分散的與板體成一體的小柱，小柱的一端與上層連接，小柱的另一端與下層連接，小柱面積之和佔中空層面積的10 50%，所述小柱換算成與圓同面積下直徑的特徵尺寸大於中空層厚度的二分之一。
2.根據權利要求I所述的一體化的耐久型柱芯封邊夾層板,其特徵在於所述的小柱為圓柱、稜形或長方形柱。
3.根據權利要求I或2所述的一體化的耐久型柱芯封邊夾層板，其特徵在於所述的板體和小柱的材料為均質材料，或由強化纖維和樹脂構成的異方性的複合材料。
4.根據權利要求I或2所述的一體化的耐久型柱芯封邊夾層板，其特徵在於小柱密度均勻分布。
5.根據權利要求I或2所述的一體化的耐久型柱芯封邊夾層板,其特徵在於小柱密度或直徑從板體的一側向另一側依據板體強度大小變化，板體強度要求大，則小柱密度或直徑大；板體強度要求小，則小柱密度或直徑小。
6.根據權利要求I或2所述的一體化的耐久型柱芯封邊夾層板,其特徵在於板體外形為平面板、曲面板或球形板，並且中空層的厚度可根據位置變化。
7.根據權利要求3所述的一體化的耐久型柱芯封邊夾層板,其特徵在於夾層板的封邊側帶橫向聯接結構。
全文摘要
本發明公開了一種一體化的耐久型柱芯封邊夾層板，包括具有柱芯中空層的板體，其中中空層由上層、下層和封邊圍合而成，其特徵在於所述的中空層的厚度與板體的厚度之比為10～60%，在所述的中空層內設置有分散的與板體成一體的小柱，小柱的一端與上層連接，小柱的另一端與下層連接，小柱面積之和佔中空層面積的10～50%，所述小柱換算成與圓同面積下直徑的特徵尺寸大於中空層厚度的二分之一。與現有技術相比，本發明具有輕質，高強，一體化製備蜂窩板無需粘結劑，低碳環保，具有可設計性高，工藝簡單等特點。
文檔編號B32B3/26GK102950825SQ20121022990
公開日2013年3月6日 申請日期2012年7月2日 優先權日2012年7月2日
發明者陳錦祥, 謝娟, 何成林, 顧承龍 申請人:東南大學