CN102658681A - 三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料及制备 - Google Patents

三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料及制备 Download PDF

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房晓萌
邱夷平
朱雯雯
姚澜
张康雯
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Abstract

本发明涉及一种三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料及制备，该夹层复合材料包括表层、芯层和底层，所述的表层和底层采用三维正交机织物增强热固性树脂复合材料，芯层采用蜂窝材料；其制备方法，包括：首先将热固性树脂涂覆在三维正交机织物上，得到涂覆有树脂的织物，然后将上述涂覆有树脂的织物铺在蜂窝芯层的表层和底层，进行热压成型，热压后冷却即得。本发明采用力学性能优异的三维正交机织物作为夹层材料的表层和底层，可有效地提高材料承受弯曲、冲击载荷的性能，并能有效利用纤维强度，降低织物面密度；芯层采用仿生蜂窝结构，减轻材料重量，提高材料的刚性和力学性能；本发明的操作简单，可规模化生产。

Description

三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料及制备
技术领域
本发明属于夹层复合材料及其制备领域，特别涉及一种三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料及制备。
背景技术
夹层复合材料在力学方面具有轻质、高比强度和高比模量等优点，可以耐疲劳、抗震动，并能有效吸收冲击载荷，在吸音隔热方面也具有独特的性能优势，所以已被广泛应用于航空航天、船舶、交通运输各方面。
其中，纤维增强热固性树脂复合蜂窝结构夹层复合材料已被很多国际知名的飞机和汽车制造公司作为内部轻质板，但是其夹层复合材料的表层和底层多采用无向纤维网或者普通二维织物作为增强体。根据研究成果可以了解到，散纤增强复合材料由于纤维体积含量受限所以力学特性不高；二维织物及其铺层增强复合材料存在易分层，损伤容限低等缺点。所以在实际使用中，这两类纤维增强的夹心复合材料力学性能有时不能满足较高标准应用要求，尤其在冲击载荷下材料刚度不高，并且易出现分层破坏。
目前，中国专利101613899A(公开日2009年12月30日)以及102152525A(公开日2011年8月17日)都描述了一种三维正交机织泡沫夹层复合材料的制备方法，采用在织造中将块状泡沫织入三维正交织物中，采用三维正交机织物来增强夹层复合材料，采用这样的制备方法虽然可以将芯层材料织入织物，但是由于结构限制，其中芯层材料的尺寸严重受限，而且在织物经向芯层材料是单块独立的，整体性也不好。论文《蜂窝夹层复合材料成型用压力垫的研制》(请给出该论文的出处)(赵景丽，李河清，赵鹏飞，蜂窝夹层复合材料成型用压力垫的研制.特种橡胶制品，2006(03)：p.36-39).采用丙烯酸酯橡胶与蜂窝材料制备夹层复合材料，采用橡胶作为夹层材料的表面材料，而不是纤维增强材料。科研成果《法宇航A330/340复合材料空气导管研制》(请给出其的出处)[2](田卫，法宇航A330/340复合材料空气导管研制).采用碳纤维以及玻璃纤维增强环氧树脂作为夹层复合材料的表面和底面，芯层采用蜂窝材料，本研究采用散纤维高性能纤维增强树脂或者高分子聚合物作为蜂窝结构复合材料的上下表面。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料及制备方法，该夹层复合材料轻质高强、隔音、耐热的新型材料，在航空航天和交通运输等领域有广泛的应用前景，该方法操作简单，可规模化生产。
本发明的一种三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料，该夹层复合材料包括表层、芯层和底层，所述的表层和底层采用三维正交机织物增强热固性树脂复合材料，芯层采用蜂窝材料，属于轻质复合材料。
所述的三维正交机织物所用纤维种类为天然纤维、人造纤维或合成纤维，所用纱线细度范围是：10tex-3300tex。
所述的三维正交机织物的厚度范围为0.2mm-50mm(根据所用纱线细度和织物结构的不同)，织物中捆扎纱的织物组织结构为平纹、斜纹、缎纹或复杂组织。
所述的热固性树脂为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、呋喃树脂、聚丁二烯树脂或有机硅树脂。
所述的蜂窝材料为纸、金属、塑料、橡胶或芳纶，所述蜂窝材料的厚度范围为5mm-250mm。
本发明的一种三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料的制备方法，包括：
首先将热固性树脂涂覆在三维正交机织物上，得到涂覆有树脂的织物，然后将上述涂覆有树脂的织物铺在蜂窝芯层的表层和底层，进行热压成型，热压后冷却即得。
所述的涂覆为采用手涂或者真空辅助树脂传递成型的方法。
所述的热压成型中压力范围为1MPa-5Mpa，温度为所用热固性树脂的固化温度，时间也按照树脂的固化条件来调节。
本发明的轻质高强的材料采用力学性能优异的三维正交机织物作为夹层材料的表层和底层，可有效地提高材料承受弯曲、冲击载荷的性能，并能有效利用纤维强度，降低织物面密度。芯层采用仿生蜂窝结构，可以极大地减轻材料重量，并且提高材料的刚性和力学性能。
本发明所涉及的三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料具有的优点如下：
1.采用三维正交机织物作为夹层复合材料的表层和底层可以明显提高复合材料的力学性能。织物中经纱和纬纱在平面内呈交织或排列织物刚度高，而贯穿于织物厚度方向上的Z纱赋予材料稳定性。由于厚度方向上增强纱的存在，织物厚度的大小可不受限制，不仅增加了材料的层间剪切强度，还减少了二维织物及其铺层增强聚丙烯复合材料明显存在易分层，损伤容限低等缺点和分层现象。
2.采用三维正交机织物作为夹层复合材料的表层和底层可以在提高力学性能的基础上极大地降低材料的重量。由于结构中纱线无屈曲交织，织物中纱线的力学性能利用度高，在同等的织物面密度下，本材料的结构能明显降低材料重量。
有益效果：
(1)本发明采用三维正交机织物作为夹层复合材料的表层和底层增强体，织物在厚度方向上引入增强纱线，将经纱和纬纱所形成的叠层在厚度方向上贯穿起来形成一个三维的整体，提高了层间抗冲击损伤的能力；其中正交的经纱和纬纱平直排列，不像二维织物存在屈曲，使织物质轻并具有较优异的力学性能；
(2)本夹层复合材料的芯层采用的是蜂窝材料，蜂窝芯层仿生结构具有高强度、高刚度、低密度、隔音、隔热等特点；
(3)本发明采用热固性树脂，不仅有利于浸润织物，而且一般的热固性树脂可以耐高温，力学性能优异；
(4)本发明的复合材料轻质高强、隔音、耐热的新型材料，在航空航天和交通运输等领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料的结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
采用三维正交苎麻机织物(捆扎纱的组织结构为平纹)增强酚醛树脂作为芳纶蜂窝材料的表层和底层。织物经纱、纬纱和Z纱细度均是34tex，单层经密：180根/10cm，单层纬密：155根/10cm，Z纱密度是：180根/10cm。织物中包括3层经纱和4层纬纱。采用手涂方法将酚醛树脂逐层涂覆在织物表面，然后将预浸树脂的织物铺放在蜂窝材料的上下两面，将铺放好的织物和蜂窝材料采用平板硫化机热压，温度140℃，压力1.5MPa，时间60mins，冷却后即完成加工。
实施例2
采用三维正交玻璃纤维机织物增强环氧树脂作为铝蜂窝材料的表层和底层。织物经纱、纬纱细度均是200tex，Z纱细度是100tex，单层经密：55根/10cm，单层纬密：60根/10cm，Z纱密度是：55根/10cm。织物中包括2层经纱和3层纬纱。采用真空辅助树脂传递方法将环氧树脂逐层涂覆在织物表面，然后将预浸树脂的织物铺放在铝蜂窝材料的上下两面，将铺放好的织物和铝蜂窝材料采用热压罐热压，温度120℃，压力2MPa，时间60mins，升温至170℃，压力2MPa，时间90mins，冷却后即完成加工。
对比例1
采用二维苎麻机织物铺层增强酚醛树脂作为芳纶蜂窝材料的表层和底层。织物经纱和纬纱细度是17tex，经密：180根/10cm，纬密：160根/10cm，织物结构是平纹，将织物的经纬组织点相对应铺设7层，采用手涂方法将酚醛树脂逐层涂覆在织物表面。然后将预浸树脂的织物铺放在蜂窝材料的上下两面，将铺放好的织物和蜂窝材料采用平板硫化机热压，温度140℃，压力1.5MPa，时间60mins，冷却后即完成加工。
对比例2
采用玻璃纤维无序网增强环氧树脂作为铝蜂窝材料的表层和底层。玻璃纤维网面密度为200g/m2，表层和底层各铺设3层，采用真空辅助树脂传递方法将环氧树脂逐层涂覆在织物表面。然后将预浸树脂的玻纤网铺放在铝蜂窝材料的上下两面，将铺放好的玻纤网和铝蜂窝材料采用热压罐热压，温度120℃，压力2MPa，时间60mins，升温至170℃，压力2MPa，时间90mins，冷却后即完成加工。
表1 为实施例1和对比例1中所述的织物结构、复合材料厚度及其抗压缩强度
Figure BDA0000157272860000041
表2 为实施例1和对比例1中所述的织物结构、复合材料厚度及其抗压缩强度
Figure BDA0000157272860000051

Claims (9)

1.一种三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料，该夹层复合材料包括表层、芯层和底层，其特征在于：所述的表层和底层采用三维正交机织物增强热固性树脂复合材料，芯层采用蜂窝材料。
2.根据权利要求1所述的一种三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料，其特征在于：所述的三维正交机织物所用纤维为天然纤维、人造纤维或合成纤维，所用纱线细度范围为10tex-3300tex。
3.根据权利要求1所述的一种三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料，其特征在于：所述的三维正交机织物的厚度范围为0.2mm-50mm。
4.根据权利要求1所述的一种三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料，其特征在于：所述的三维正交机织物中捆扎纱的织物组织结构为平纹、斜纹或缎纹组织。
5.根据权利要求1所述的一种三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料，其特征在于：所述的热固性树脂为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、呋喃树脂、聚丁二烯树脂或有机硅树脂。
6.根据权利要求1所述的一种三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料，其特征在于：所述的蜂窝材料为纸、金属、塑料、橡胶或芳纶，所述蜂窝材料的厚度范围为5mm-250mm。
7.一种三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料的制备方法，包括：
首先将热固性树脂涂覆在三维正交机织物上，得到涂覆有树脂的织物，然后将上述涂覆有树脂的织物铺在蜂窝芯层的表层和底层，进行热压成型，热压后冷却即得。
8.根据权利要求7所述的一种三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料的制备方法，其特征在于：所述的涂覆为采用手涂或者真空辅助树脂传递成型的方法。
9.根据权利要求7所述的一种三维正交机织物增强热固性树脂蜂窝夹层复合材料的制备方法，其特征在于：所述的热压成型中压力范围为1MPa-5Mpa。
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