輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層及其製備方法
2023-04-30 03:51:21
專利名稱：輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種複合材料車廂夾芯層及其製備方法，特別涉及一種輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層及其製造方法，並應用於帶有仿機翼的空氣動力懸浮列車的機車和每一節車廂中，屬於工程材料製備、結構設計領域。
背景技術：
最近，江雷等(中國專利:201110209112. 4、中國專利:201110242739、中國專利201110242755. 9)提出了帶有仿機翼的空氣動力懸浮列車，該列車的機車和每節車廂的頂部分別安裝有仿製飛機的機翼結構的仿機翼。通過與列車相對運動的氣流作用於仿機翼
結構而產生上抬力，從而減少列車對鐵軌的壓力。該高速列車要求設計的車廂夾芯層儘可能輕而不損失強度。夾層結構複合材料因比剛度大的突出優點，其作為高速列車車廂夾芯層材料的應用愈來愈受重視。針對夾層結構複合材料，面板層與夾芯層的粘結強度及芯子層的構型是影響夾層結構性能的關鍵因素。現有的夾層結構複合材料，其中間夾芯層、與上、下面板多為獨立的分離實體，採用膠結而成，界面構造單一，很容易導致上、下面板層與中間夾芯層脫膠分層剝離；另外，現有夾層結構的芯子層缺乏有效的支撐點，均不具備較高的高度，達到20mm以上時，芯子易失穩，發生剪切破壞；此外，現有夾層結構的芯子構型多是單方向受力，很容易使芯子朝一個方向單方向產生破壞，最終導致複合材料結構無法使用。因此，需要設計和製備新型的夾層結構功能複合材料，以滿足現代高速列車等領域結構超輕型化，最佳構形設計，多功能化的結構設計要求。鳥類具有最優的骨骼結構，含有大量孔隙相通的周期性輕質結構。飛鳥骨骼結構不僅具有明顯的直線軸向骨骼作為支撐，同時還具有多方向的斜向骨骼作為有效支撐，提供了鳥類飛行所需的強度。藉助於飛鳥骨骼結構，製備輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料夾芯層，並應用於帶有仿機翼的空氣動力懸浮列車的機車和每一節車廂中，是本發明的目的所在。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明的目的是提供一種輕質仿鳥骨骼中空夾芯結構的複合材料車廂夾芯層及其製備方法，並應用於帶有仿機翼的空氣動力懸浮列車的機車和每一節車廂中。該複合材料車廂夾芯層結構整體性好，質量輕、大大提高了結構的承載效率，結構的穩定性、抗壓、抗剪、抗衝擊、耐疲勞等性能都得到顯著增強。該製備方法工藝簡單，環境汙染小，生產效率高，成本相對較低。本發明解決所述輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層技術問題的技術方案如下本發明設計的一種輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層，它由上面板層、下面板層和設置於上、下面板層之間的仿鳥骨骼中空芯子層構成。其特徵在於上、下面板層形成夾層結構，所述的仿鳥骨骼中空芯子層以垂直軸紗為中心，以中性面內橫向紗線作為芯子有效支撐，由孔隙相通周期性排列的仿鳥骨骼中空構型單胞組成的空間網絡結構，且該仿鳥骨骼中空芯子層與上、下面板層按設計規律編織為一個整體，並採用樹脂傳遞工藝，在大型熱壓罐中固化成型。本發明的進一步特徵是所述的上面板層、下面板層是採用機織工藝技術，由高性能纖維材料織造面板層預成型件來製備得到；所述的上、下面板層預成型件的織物組織結構可以分別採用平紋、斜紋、緞紋或變化組織結構中的任何一種。所述的織物組織結構是面板層經紗和緯紗的交織規律。所述的高性能纖維材料是指碳纖維、凱夫拉縴維、玻璃纖維、芳綸纖維、高強聚乙烯纖維、玄武巖纖維等中的一種。本發明的特徵還在於上面板層和下面板層形成夾層結構，仿鳥骨骼中空芯子層與上、下面板層間通過三維整體機織工藝，編織為一個完全不分離的整體結構。本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空芯子層是由孔隙相通周期性排列的仿 鳥骨骼中空構型單胞組成的空間網絡結構，所述的單胞為仿鳥骨骼中空芯子層的最小重複單元。本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空結構關於中性面為完全對稱結構。本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空構型含有垂直於上、下面板的直法向紗線，即軸紗。本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空芯子層單胞結構以垂直軸紗為中心對稱結構，且軸紗起有效的軸向支撐作用。本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空構型，沿某一方向(沿寬度方向或厚度方向)來看，構型呈現完全的對稱結構，起著有效的雙向支撐作用。本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空芯子層，沿面內兩個方向(面內寬度方向和厚度方向)來看，雙方向芯子層呈現完全的對稱結構，起著有效的面內雙向支撐作用。本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空芯子層的中性面還包括兩組橫向紗線沿寬度方向的橫向紗線和沿厚度方向的橫向紗線。其中，沿寬度方向橫向紗線將相鄰兩組仿鳥骨骼中空芯子捆綁並沿面內寬度方向取向；沿厚度方向橫向紗線將相鄰兩組仿鳥骨骼中空芯子捆綁並沿面內厚度方向取向。本發明的特徵還在於所述的橫向紗線從相鄰兩組仿鳥骨中空芯子紗線的中心穿過，並與相鄰的仿鳥骨中空芯子紗線形成「8」字型線圈纏繞捆綁。本發明的特徵還在於所述的沿寬度方向和沿厚度方向的橫向緯紗與芯子層紗線的所有交叉重合點分布在中性面上，對芯子層起著有效支撐作用。本發明的特徵還在於所述的軸紗、沿寬度方向橫向紗線、沿厚度方向橫向紗線在中性面上相互交織重合於一點，對芯子層起著有效支撐作用。本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空構型的位置、密度、軸向紗的數量、橫向紗的數量均可進行任意設置和調節。本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空構型即可為直線形式也可為曲線形式，如有「直線」形斜向交叉構型、「S」形斜向交叉構型、「波浪形」斜向交叉構型、「C」形斜向交叉構型，「I」字形等構型。
本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空結構還可以形成雙夾層、多夾層結構。本發明的特徵還在所述仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層外形尺寸長度範圍為0-28米，寬度範圍為0-3. 5米，高度範圍為0-3. 5米；上面板層厚度範圍為0-0. 020米，下面板層厚度範圍為0-0. 020米，所述的仿鳥骨骼中空芯子層高度範圍可達到0-0. 160米之間，針對單夾層結構，仿鳥骨骼中空芯子層連接上、下層面板層形成的整體高度範圍為0-0. 180米之間。針對雙夾層結構，仿鳥骨骼中空芯子層連接上、下層面板層形成的整體高度範圍為0-0. 360米之間。本發明的特徵還在於整體複合材料車廂夾芯層採用樹脂注入工藝，先在室溫下進行固化，並採用大型熱壓罐進行高溫高壓熟化。所述的熱壓罐外形尺寸為30-35米，直徑為5. 5米；可控溫度範圍為室溫到300°C，最大壓力水平可達到7個大氣壓。本發明的特徵還在於所述複合材料的上、下面板層的外表面均平整光滑，形狀尺寸精確，無需進行二次加工，不會造成纖維及複合材料損傷。
本發明所述輕質仿鳥骨骼中空結構複合材料車廂夾芯層的製備方法，其特徵在於按如下步驟進行製備I)上、下面板層製備；所述的上面板層、下面板層是採用機織工藝技術，由高性能纖維材料織造面板層預成型件來製備得到；所述的上、下面板層預成型件的織物組織結構可以分別採用平紋、斜紋、緞紋或變化組織結構中的任何一種。按照設計的織物組織結構，由上面板層經紗系統和上面板層緯紗系統交織形成上面板層，由下面板層經紗系統和下面板層緯紗系統交織形成下面板層。2)製備中空芯子層；(a)間隔紗線系統沿寬度方向的間隔紗線系統，除了與步驟I)所述上面板層的緯紗系統交織外，還跨層與下面板層的緯紗系統交織，沿寬度方向將上、下面板層織造成一個整體，構成夾層結構。沿厚度方向的間隔紗線系統，除了與步驟I)所述上面板層的經紗系統交織外，還跨層與下面板層的經紗系統交織，沿厚度方向將上、下面板層織造成一個整體，構成夾層結構。所述的間隔紗線系統從一個面板層跨層向另一個面板層交織時，其在兩夾層面板間的空間走向相反。(b)軸向紗線系統軸向紗線系統，在每相鄰兩組沿寬度方向的芯子間隔紗線系統的中間位置，由軸紗引紗裝置沿著厚度方向逐行垂直餵入，或在每相鄰沿厚度方向的芯子間隔紗線系統的中間位置，由軸紗引紗裝置沿著寬度方向逐列垂直餵入；軸向紗線系統貫穿整個夾層結構的高度方向，並夾持在上面板層和下面板層相鄰的經紗紗線系統行之間。(C)橫向紗線系統沿寬度方向橫向紗線系統，由引紗裝置攜帶，沿著厚度方向逐行由中性面位置餵入，將相鄰兩根中空芯子間隔紗線捆綁並沿面內寬度方向取向。沿厚度方向橫向紗線系統由引紗裝置攜帶，沿著寬度方向逐行由中性面位置餵入，將相鄰兩根中空芯子間隔紗線捆綁並沿面內厚度方向取向。重複所述工藝步驟(1)(2)，即可獲得本發明所述的仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層預製件。3)樹脂固化成型。將織造好的仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層預製件，採用樹脂傳遞工藝，注入環氧樹脂，使上、下面板層和中空芯子層充分浸潰樹脂，先在室溫下固化，再放置於大型熱壓罐中，在高溫高壓下熟化。樹脂複合固化後，即得到本發明的仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層。本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果本發明的輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層採用三維整體機織工藝，將仿鳥骨骼中空芯子層與上面板層、下面板層間編織成一個完全不分離的整體結構，徹底避免了傳統夾層結構的面板層與夾芯層的脫膠分層剝離。本發明具有垂直於上、下面板的 軸紗作為有效支撐，大大提高了複合材料的軸向抗壓等力學性能；本發明製備的仿鳥骨骼中空構型沿寬度或厚度方向及面內雙方向呈完全對稱結構，起著有效的雙向支撐作用，同時，由於芯子層中性面橫向紗線的加入，使芯子層的受力有效的傳遞給橫向紗線，對芯子層起著有效支撐作用，這樣，芯子的高度得到了顯著的增加，克服了現有夾層結構中，夾層芯子的高度有限以及芯子缺乏有效支撐點的弱點，具有更大的孔隙率，密度大大降低，提高了材料的承載效率。同時，本發明製備的仿鳥骨骼中空構型的孔隙是連通的，方便了多功能化的設計和實現，如布線、隔熱，減震、吸聲和配置電池等。此外，本發明採用樹脂傳遞工藝，大型熱壓罐固化成型，上、下面板層的外表面均平整光滑，無需進行二次加工，不會造成複合材料損傷。總體來說，本發明製備的輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層比傳統的夾層結構具有更強的綜合性能，整體性更好、力學性能更加優越，質量更輕，承載效率更高，功能性更好。本發明製備的輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料夾芯層除應用於高速列車領域，還能夠適用於航空航天、航海、以及國防裝備等諸多高新技術產品領域。在申請人檢索的範圍內，本發明的輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層及其製備方法還未見相關文獻報導。
圖I是帶有仿機翼的空氣動力懸浮列車的示意圖。圖2是複合材料車廂夾芯層的示意圖。圖3是本發明提供的輕質仿鳥骨骼中空結構複合材料的結構示意圖。圖4是圖3中仿鳥骨骼中空構型單胞的放大圖。圖5是本發明的仿鳥骨骼中空芯子層結構示意圖。圖6是本發明的芯子層中性面橫向紗線與芯子紗線纏繞交織結構示意圖。圖7是本發明提供的仿鳥骨骼中空「直線」形交叉結構示意圖。圖8是本發明提供的仿鳥骨骼中空「波浪形」形交叉結構示意圖。圖9是本發明提供的仿鳥骨骼中空「C」形交叉結構示意圖。圖10是本發明提供的仿鳥骨骼中空「S」形交叉雙夾層結構示意圖。圖11是本發明提供的仿鳥骨骼中空「S」形交叉製造示意圖。圖12是本發明提供的仿鳥骨骼中空「波浪形」形交叉製造示意圖。圖13是本發明提供的仿鳥骨骼中空「直線」形交叉製造示意圖。
I-帶有仿機翼的空氣動力懸浮列車；2-仿機翼；3_列車車廂；4_車廂夾芯層；5-上面板層；6_下面板層；7_仿鳥骨骼中空芯子層；8_仿鳥骨骼中空構型單胞；9_軸向紗線；10_沿寬度方向橫向紗線；11_沿厚度方向橫向紗線；12_ 「直線」形交叉構型；13_ 「波浪」形交叉構型；14_ 「C」形交叉構型；15- 「S」形交叉構型；16_上面板層經紗系統；17_上面板層經紗系統；18_上面板層緯紗系統；19_下面板層經紗系統；20_下面板層經紗系統；21-下面板層緯紗系統；22_間隔紗線系統；23_間隔紗線系統；
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。如圖I所示，為帶有仿機翼的空氣動力懸浮列車的示意圖。圖2是複合材料車廂夾芯層的示意圖，車廂結構包括夾芯層4。圖3為本發明提供的一種輕質仿鳥骨骼中空結構複合材料的結構示意圖。該複合 材料由上面板層5、下面板層6以及設置在上、下面板層之間的仿鳥骨骼中空芯子層7構成，其特徵在於上，下面板層形成夾層結構，且仿鳥骨骼中空芯子層7與上、下面板層間編織為一個完全不分離的整體結構。本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空芯子層7是由孔隙相通周期性排列的仿鳥骨骼中空構型單胞8組成的空間網絡結構，所述的單胞為仿鳥骨骼中空芯子層的最小重複單元。參見圖4和圖5。本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空芯子層含有垂直於上、下面板的直法向紗線，即軸紗9，參見圖5。本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空芯子層單胞結構以垂直軸紗9為中心對稱結構，且軸紗起有效的軸向支撐作用，參見圖4。本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空夾芯結構關於中性面為完全對稱結構。參見圖3。本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空芯子層以中性面內沿寬度方向橫向紗線10和沿厚度方向橫向紗線11作為芯子有效支撐。參見圖5。本發明的特徵還在於沿寬度方向橫向紗線10將相鄰兩組仿鳥骨骼中空芯子紗線捆綁並沿面內寬度方向取向；沿厚度方向橫向紗線11將相鄰兩組仿鳥骨骼中空芯子紗線捆綁並沿面內厚度方向取向。參見圖5。本發明的特徵還在於所述的橫向紗線從相鄰兩組仿鳥骨中空芯子紗線的中心穿過，並與相鄰的仿鳥骨中空芯子紗線形成「8」字型線圈纏繞捆綁。參見圖6。本發明的特徵還在於所述的沿寬度方向和沿厚度方向的橫向緯紗與芯子層紗線的所有交叉重合點分布在中性面上，對芯子層起著有效支撐作用。本發明的特徵還在於所述的軸紗、沿寬度方向橫向紗線、沿厚度方向橫向紗線相互交織於一點，對芯子層起著有效支撐作用。參見圖4。本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空構型即可為直線形式也可為曲線形式，如有「直線」形斜向交叉構型12 (參見圖7)、「波浪」形斜向交叉構型13 (參見圖8)、「C」形斜向交叉構型14 (參見圖9)，「S」形斜向交叉構型15 (參見圖10)、等構型。本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空構型，沿某一方向(沿寬度方向或厚度方向)來看，構型呈現完全的對稱結構，起著有效的雙向支撐作用。參見圖3-圖9。本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空芯子層，沿面內兩個方向(面內寬度方向和厚度方向)來看，雙方向芯子層呈現完全的對稱結構，起著有效的面內雙向支撐作用。參見圖3_圖9。本發明的特徵還在於所述的仿鳥骨骼中空結構還可以形成雙夾層、多夾層結構。參見圖10。本發明的特徵還在於所述仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層外形尺寸長度範圍為0-28米，寬度範圍為0-3. 5米，高度範圍為0-3. 5米；上面板層厚度範圍為0-0. 020米，下面板層厚度範圍為0-0. 020米，所述的仿鳥骨骼中空芯子層高度範圍可達到0-0. 160米之間，針對單夾層結構，仿鳥骨骼中空芯子層連接上、下層面板層形成的整體高度範圍為0-0. 180米之間。針對雙夾層結構，仿鳥骨骼中空芯子層連接上、下層面板層形成的整體高度範圍為0-0. 360米之間。
本發明同時設計了所述仿鳥骨骼中空夾芯結構複合材料的製備方法，其特徵在於按如下步驟進行製備I)製備上、下面板層；所述的上面板層5、下面板層6是採用機織工藝技術，由高性能纖維材料織造面板層預成型件來製備得到；所述的上、下面板層預成型件的織物組織結構可以分別採用平紋、斜紋、緞紋或變化組織結構中的任何一種。所述的織物組織結構是面板層經紗和緯紗的交織規律。所述的高性能纖維材料是指碳纖維、凱夫拉縴維、玻璃纖維、芳綸纖維、高強聚乙烯纖維、玄武巖纖維等中的一種。參見圖11，按照設計的織物組織結構，上面板層由上面板層經紗系統16，17和上面板層緯紗系統18交織形成，下面板層由下面板層經紗系統19，20和下面板層緯紗系統21交織形成。上面板層經紗系統和下面板層經紗系統由同一個經軸送出，且機織上面板層經紗系統的送經量與機織下面板層經紗系統的送經量相同。上面板層緯紗系統和下面板層緯紗系統由同一個緯紗梭子引緯，且機織上面板層緯紗系統的引緯量和機織下面板層緯紗系統的引緯量相同。2)製備中空芯子層；(a)間隔紗線系統參見圖11，沿寬度方向的間隔紗線系統22，23，除了與步驟I)所述上面板層的緯紗系統18交織外，還跨層與下面板層的緯紗系統21交織，沿寬度方向將上、下面板層織造成一個整體，構成夾層結構。所述的間隔紗線系統22，23從一個面板層跨層向另一個面板層交織時，其在兩夾層面板間的空間走向相反，中空構型沿寬度方向呈現完全的對稱結構，起著有效的雙向支撐作用。同理，沿厚度方向的間隔紗線系統，除了與步驟I)所述上面板層的經紗系統交織夕卜，還跨層與下面板層的經紗系統交織，沿厚度方向將上、下面板層織造成一個整體，構成夾層結構。所述的沿厚度方向間隔紗線系統從一個面板層跨層向另一個面板層交織時，其在兩夾層面板間的空間走向相反，中空構型沿厚度方向呈現完全的對稱結構，起著有效的雙向支撐作用。本發明所述的仿鳥骨骼中空芯子層，沿面內兩個方向(面內寬度方向和厚度方向)，雙方向芯子層呈現完全的對稱結構，起著有效的面內雙向支撐作用。
(b)軸向紗線系統軸向紗線系統9，在每相鄰兩組沿寬度方向的芯子間隔紗線系統的中間位置，由軸紗引紗裝置沿著厚度方向逐行垂直餵入，或在每相鄰沿厚度方向的芯子間隔紗線系統的中間位置，由軸紗引紗裝置沿著寬度方向逐列垂直餵入；軸向紗線系統貫穿整個夾層結構的高度方向，並夾持在上面板層和下面板層相鄰的經紗紗線系統行之間，實現含軸向紗線系統的仿鳥骨骼中空結構的織造。所述的仿鳥骨骼中空芯子層單胞結構以垂直軸紗為中心對稱結構，且軸紗起有效的軸向支撐作用。(C)橫向紗線系統沿寬度方向橫向紗線系統10，由引紗裝置攜帶，由中性面位置按一定的餵入方式，將相鄰兩根仿鳥骨骼中空芯子間隔紗線捆綁並沿面內寬度方向取向；沿厚度方向橫向紗線系統7由引紗裝置攜帶，由中性面位置按一定的餵入方式，將相鄰兩根仿鳥骨骼中空芯子 間隔紗線捆綁並沿面內厚度方向取向。所述的沿寬度方向和沿厚度方向的橫向紗線從相鄰兩根仿鳥骨中空芯子間隔紗線的中心穿過，並與相鄰的仿鳥骨中空芯子間隔紗線形成「8」字型線圈纏繞捆綁。所述的沿寬度方向和沿厚度方向的橫向緯紗與芯子層紗線的所有交叉重合點分布在中性面上；所述的沿寬度方向的橫向緯紗、沿厚度方向的橫向緯紗和軸紗在中性面上相互交織重合於一點，對芯子層起著有效支撐作用。重複所述工藝步驟(1)(2)，即可獲得本發明所述的仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層預製件。3)樹脂固化成型。預製件織造完成後，對預製件進行崩直張拉，克服在織造過程中產生的紗線鬆緊不一的狀況。將織造好的仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層預製件，採用樹脂傳遞工藝，注入樹脂，使上、下面板層和芯子層充分浸潰樹脂，先在室溫下固化，再放置於大型熱壓罐中，複合固化後，即得到本發明的仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層；所述的樹脂採用環氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和樹脂、乙烯基樹脂等中的一種。所述的熱壓罐外形尺寸為30-35米，直徑為5. 5米；可控溫度範圍為室溫到300°C，最大壓力水平可達到7個大氣壓。實施例I)製備上、下面板層；經紗系統採用T300 6K碳纖維，緯紗系統採用T300 6K碳纖維。預製件經密為40根/10釐米，預製件緯密為30根/10釐米，車廂夾芯層預製件外形尺寸長度為25米，寬度為3米，高度為3米，上面板層厚度為O. 012米，下面板層厚度為O. 012米，芯子層高度為O. I米。採用改進的大型劍杆織機利用多經多層織造法進行織造。上面板層經紗系統和下面板層經紗系統由同一個經軸送出，且機織上面板層經紗系統的送經量與機織下面板層經紗系統的送經量相同。首先進行經紗系統的初始排列，將經紗系統分成上、下面板層兩部分，將經紗系統分別穿入不同的綜框中；不同的綜框向上和向下開口運動，上、下面層經紗系統相互交替運動分別形成上、下兩面板層經紗系統的梭口 ；在梭口處由引緯裝置餵入緯紗系統，打緯機構將緯紗系統打向織口，緯紗依次與上、下層經紗形成的梭口進行交織。上面板層緯紗系統和下面板層緯紗系統由同一個緯紗梭子引緯，且機織上面板層緯紗系統的引緯量和機織下面板層緯紗系統的引緯量相同。參見圖3和圖11，所述的上面板層5、下面板層6交織的織物組織結構為平紋。上面板層經紗系統16，17和上面板層緯紗系統18交織形成上面板層，下面板層經紗系統19，20和下面板層緯紗系統21交織形成下面板層。2)製備中空芯子層；(a)間隔紗線系統間隔紗線系統採用T300 12K碳纖維，間隔紗線的間距為O. I米，中空構型為「S」行斜向交叉。根據步驟I)所述，經紗系統和緯紗系統交織形成上、下面板層，在上、下面板層之間間隔有一定的距離高度，參見圖11，沿寬度方向的兩組間隔紗線系統22，23，夾在上、下層面板中間，除了與所述上面板層的緯紗系統18交織外，還跨層與下面板層的緯紗系統21交織，沿寬度方向將上、下面板層織造成一個整體，構成夾層結構。在織造過程中，應儘量保持上、下面板層間沿寬度方向芯子間隔紗線的張力一致，沿寬度方向間隔紗線的送經量 為間隔跨距內間隔紗線的實際曲線長度。所述的兩組沿寬度方向間隔紗線系統22，23從一個面板層跨層向另一個面板層交織時，其在兩夾層面板間的空間走向相反，沿寬度方向間隔紗線與上、下面板層交織形成「S」形斜向交叉中空構型，中空構型沿寬度方向呈現完全的對稱結構，起著有效的雙向支撐作用。同理，沿厚度方向的間隔紗線系統，夾在上、下層面板中間，除了與步驟I)所述上面板層的經紗系統交織外，還跨層與下面板層的經紗系統交織，沿厚度方向將上、下面板層織造成一個整體，構成夾層結構。在織造過程中，應儘量保持上、下面板層間沿厚度方向芯子間隔紗線的動態張力一致，沿厚度方向間隔紗線的送經量為間隔跨距內間隔紗線的實際曲線長度。所述的沿厚度方向間隔紗線系統從一個面板層跨層向另一個面板層交織時，其在兩夾層面板間的空間走向相反，沿厚度方向間隔紗線與上、下面板層交織形成「S」形斜向交叉中空構型，中空構型沿厚度方向呈現完全的對稱結構，起著有效的雙向支撐作用。本實施例所述的仿鳥骨骼中空芯子層，沿面內兩個方向(面內寬度方向和厚度方向)，雙方向芯子層呈現完全的對稱結構，起著有效的面內雙向支撐作用。(b)軸向紗線系統軸向紗線系統採用T300 9K碳纖維。軸向紗線系統9，在每相鄰沿寬度方向的芯子間隔紗線系統的中間位置，由軸紗引紗裝置沿著厚度方向逐行垂直餵入。參見圖4，即 沿著寬度方向，軸向紗線9在相鄰的沿寬度方向的兩組芯子間隔紗線系統的中間位置，由軸紗引紗裝置從上面板層垂直餵入，穿過中空夾芯層，再從下面板層垂直穿出，夾持在上面板層和下面板層相鄰的經紗紗線系統行之間。接著，沿著寬度方向，進行下一根軸向紗線的餵入，軸紗與沿厚度方向芯子間隔紗線系統交替排列，待該行軸向紗線全部加滿後，沿著厚度方向進入下一行，再沿寬度方向餵入軸紗。同理，或者在厚度方向，軸向紗線在每相鄰兩組沿厚度方向的芯子間隔紗線系統的中間位置，由軸紗引紗裝置從上面板層垂直餵入，穿過中空夾芯層，再從下面板層垂直穿出，夾持在上面板層和下面板層相鄰的經紗紗線系統列之間。接著，沿著厚度方向，進行下一根軸向紗線的餵入，軸紗與沿寬度方向芯子間隔紗線系統交替排列，待該列軸向紗線全部加滿後，沿著厚度方向進入下一列，再沿厚度方向餵入軸紗。(C)橫向紗線系統橫向紗線系統採用T300 9K碳纖維。沿寬度方向橫向紗線系統10，由引紗裝置攜帶，沿著厚度方向逐行由中性面位置餵入，將相鄰兩根中空芯子間隔紗線捆綁並沿面內寬度方向取向。參見圖5，沿寬度方向橫向紗線從第一行沿寬度方向依次將相鄰兩根中空芯子間隔紗線捆綁並沿面內寬度方向，再沿厚度方向，進入下一行，再餵入沿寬度方向橫向紗線。同理，沿厚度方向橫向紗線系統11由引紗裝置攜帶，由中性面位置餵入，將相鄰兩根中空芯子間隔紗線捆綁並沿面內厚度方向取向。所述的沿寬度方向和沿厚度方向的橫向紗線從相鄰兩根中空芯子間隔紗線的中心穿過，並與相鄰的仿鳥骨中空芯子間隔紗線形成「8」字型線圈纏繞捆綁，參見圖4。所述的沿寬度方向和沿厚度方向的橫向緯紗與芯子層紗線的所有交叉重合點分布在中性面上；所述的沿寬度方向的橫向緯紗、沿厚度方向的橫向緯紗和軸紗在中性面上相互交織重合於一點，對芯子層起著有效支撐作用。重複所述工藝步驟(1)(2)，即可獲得本發明所述的仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層預製件。
3)樹脂固化成型。預製件織造完成後，對預製件進行崩直張拉，克服在織造過程中產生的紗線鬆緊不一的狀況。將織造好的仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層預製件，採用樹脂傳遞工藝，注入環氧樹脂，使上、下面板層和中空芯子層充分浸潰環氧樹脂，先在室溫下固化5天，再放置於大型熱壓罐中，在3個大氣壓下，180°C下熟化24小時，樹脂複合固化後，即得到本發明的輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層。
權利要求
1.一種輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層，它由上面板層、下面板層和設置於上、下面板層之間的仿鳥骨骼中空芯子層構成。其特徵在於上、下面板層形成夾層結構，所述的仿鳥骨骼中空芯子層以垂直軸紗為中心，以中性面內橫向紗線作為芯子有效支撐，由孔隙相通周期性排列的仿鳥骨骼中空構型單胞組成的空間網絡結構，且該仿鳥骨骼中空芯子層與上、下面板層按設計規律編織為一個整體，並採用樹脂傳遞工藝，在大型熱壓罐中固化成型。
2.根據權利要求I所述的輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層，其特徵在於所述的上面板層、下面板層是採用機織工藝技術，由高性能纖維材料織造面板層預成型件來製備得到；所述的上、下面板層預成型件的織物組織結構可以分別採用平紋、斜紋、緞紋或變化組織結構中的任何一種。所述的織物組織結構是面板層經紗和緯紗的交織規律。 所述的高性能纖維材料是指碳纖維、凱夫拉縴維、玻璃纖維、芳綸纖維、高強聚乙烯纖維、玄武巖纖維等中的一種。
3.根據權利要求I所述的輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層，其特徵在於上面板層和下面板層形成夾層結構，仿鳥骨骼中空芯子層與上、下面板層間通過三維整體機織工藝，編織為一個完全不分離的整體結構。所述的仿鳥骨骼中空芯子層是由孔隙相通周期性排列的仿鳥骨骼中空構型單胞組成的空間網絡結構，所述的單胞為仿鳥骨骼中空芯子層的最小重複單元。所述的仿鳥骨骼中空芯子層關於中性面為完全對稱結構。
4.根據權利要求I所述的輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層，其特徵在於所述的仿鳥骨骼中空構型含有垂直於上、下面板的直法向紗線，即軸紗。所述的仿鳥骨骼中空芯子層單胞結構以垂直軸紗為中心對稱結構，且軸紗起有效的軸向支撐作用。
5.根據權利要求I所述的輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層，其特徵在於所述的仿鳥骨骼中空構型，沿某一方向(沿寬度方向或厚度方向)來看，構型呈現完全的對稱結構。所述的仿鳥骨骼中空芯子層，沿面內兩個方向(面內寬度方向和厚度方向)來看， 雙方向芯子層呈現完全的對稱結構，起著有效的面內雙向支撐作用。
6.根據權利要求I所述的輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層，其特徵在於所述的仿鳥骨骼中空芯子層的中性面還包括兩組橫向紗線沿寬度方向的橫向紗線和沿厚度方向的橫向紗線。其中，沿寬度方向橫向紗線將相鄰兩組仿鳥骨骼中空芯子捆綁並沿面內寬度方向取向；沿厚度方向橫向紗線將相鄰兩組仿鳥骨骼中空芯子捆綁並沿面內厚度方向取向。所述的橫向紗線從相鄰兩組仿鳥骨中空芯子紗線的中心穿過，並與相鄰的仿鳥骨中空芯子紗線形成「8」字型線圈纏繞捆綁。
7.根據權利要求I所述的輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層，其特徵在於所述的沿寬度方向和沿厚度方向的橫向緯紗與芯子層紗線的所有交叉重合點分布在中性面上。所述的沿寬度方向的橫向緯紗、沿厚度方向的橫向緯紗和軸紗在中性面上相互交織重合於一點，對芯子層起著有效支撐作用。
8.根據權利要求I所述的輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層，其特徵在於所述的仿鳥骨骼中空構型即可為直線形式也可為曲線形式，如有「直線」形斜向交叉構型、「S」形斜向交叉構型、「波浪形」斜向交叉構型、「C」形斜向交叉構型，「I」字形等構型。 所述的仿鳥骨骼中空結構還可以形成雙夾層、多夾層結構。
9.根據權利要求I所述的輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層，其特徵在於所述整體複合材料車廂夾芯層外形尺寸長度範圍為0-28米，寬度範圍為0-3. 5米，高度範圍為0-3. 5米；上面板層厚度範圍為0-0. 020米，下面板層厚度範圍為0-0. 020米，所述的仿鳥骨骼中空芯子層高度範圍可00.160米之間，針對單夾層結構，仿鳥骨骼中空芯子層連接上、下層面板層形成的整體高度範圍為0-0. 180米之間。針對雙夾層結構，仿鳥骨骼中空芯子層連接上、下層面板層形成的整體高度範圍為0-0. 360米之間。所述整體複合材料車廂夾芯層採用樹脂注入工藝，先在室溫下進行固化，並採用大型熱壓罐進行高溫高壓熟化。所述的熱壓罐外形尺寸為30-35米，直徑為5. 5米；可控溫度範圍為室溫到 300°C,最大壓力水平可達到7個大氣壓。
10.一種如權利要求I所述輕質仿鳥骨骼中空結構複合材料車廂夾芯層的製備方法， 其特徵在於按如下步驟進行製備1)上、下面板層製備所述的上面板層、下面板層是採用機織工藝技術，由高性能纖維材料織造面板層預成型件來製備得到；所述的上、下面板層預成型件的織物組織結構可以分別採用平紋、斜紋、 緞紋或變化組織結構中的任何一種。按照設計的織物組織結構，由上面板層經紗系統和上面板層緯紗系統交織形成上面板層，由下面板層經紗系統和下面板層緯紗系統交織形成下面板層。2)製備中空芯子層；Ca)間隔紗線系統沿寬度方向的間隔紗線系統，除了與步驟I)所述上面板層的緯紗系統交織外，還跨層與下面板層的緯紗系統交織，沿寬度方向將上、下面板層織造成一個整體，構成夾層結構。 沿厚度方向的間隔紗線系統，除了與步驟I)所述上面板層的經紗系統交織外，還跨層與下面板層的經紗系統交織，沿厚度方向將上、下面板層織造成一個整體，構成夾層結構。所述的間隔紗線系統從一個面板層跨層向另一個面板層交織時，其在兩夾層面板間的空間走向相反。(b)軸向紗線系統軸向紗線系統，在每相鄰兩組沿寬度方向的芯子間隔紗線系統的中間位置，由軸紗引紗裝置沿著厚度方向逐行垂直餵入，或在每相鄰沿厚度方向的芯子間隔紗線系統的中間位置，由軸紗引紗裝置沿著寬度方向逐列垂直餵入；軸向紗線系統貫穿整個夾層結構的高度方向，並夾持在上面板層和下面板層相鄰的經紗紗線系統行之間。(C)橫向紗線系統沿寬度方向橫向紗線系統，由引紗裝置攜帶，沿著厚度方向逐行由中性面位置餵入，將相鄰兩根中空芯子間隔紗線捆綁並沿面內寬度方向取向。沿厚度方向橫向紗線系統由引紗裝置攜帶，沿著寬度方向逐行由中性面位置餵入，將相鄰兩根中空芯子間隔紗線捆綁並沿面內厚度方向取向。重複所述工藝步驟(1)(2)，即可獲得本發明所述的仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層預製件。3)樹脂固化成型將織造好的仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層預製件，採用樹脂傳遞工藝，注入環氧樹脂，使上、下面板層和中空芯子層充分浸潰樹脂，先在室溫下固化，再放置於大型熱壓罐中，在高溫高壓下熟化。樹脂複合固化後，即得到本發明的仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層。
全文摘要
本發明涉及一種輕質仿鳥骨骼中空結構的複合材料車廂夾芯層，它由上面板層、下面板層和上、下面板層之間的仿鳥骨骼中空芯子層構成。其特徵在於上、下面板層形成夾層結構，所述的仿鳥骨骼中空芯子層以垂直軸紗為中心，以中性面內橫向紗線作為芯子有效支撐，由孔隙相通周期性排列的仿鳥骨骼中空構型單胞組成的空間網絡結構，且仿鳥骨骼中空芯子層與上、下面板層按設計規律編織為一個整體，並採用樹脂傳遞工藝，在大型熱壓罐中固化成型。本發明的製備步驟包括1)製備上、下面板層；2)製備中空芯子層；3)樹脂固化成型。本發明比現有的車廂夾芯層整體性更好，質量更輕，承載效率更高，力學性能更加優越，應用於帶有仿機翼的空氣動力懸浮列車中。
文檔編號B61D17/00GK102923145SQ20121038509
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月12日 優先權日2012年10月12日
發明者李典森, 江雷 申請人:北京航空航天大學