CN102930862B

CN102930862B - Z向增强水下吸声夹芯复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102930862B
Application number: CN201210368665.9A
Authority: CN
Inventors: 鲁先孝; 成天健; 刘树亮
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: CN102930862A

Abstract

本发明介绍了Z向增强水下吸声夹芯复合材料及其制备方法，包括复合材料面板、吸声芯材以及在上面板和下面板之间、吸声芯层的厚度方向即Z向设置的增强结构，Z向增强型水下吸声夹芯复合材料的整体结构采用真空辅助成型工艺成型。本发明与通常的夹芯结构吸声复合材料相比，平压强度大幅度提高，压缩模量提高了一个数量级以上、弯曲刚度提高了一倍，吸声性能提高10～85%，高水压下的吸声性能提高了50～85%，采用的成型工艺具有可操作性强、质量一致性好、适合大型复合材料构件成型等优点。

Description

Z向增强水下吸声夹芯复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种水下吸声复合材料技术，特别是一种Z向增强水下吸声夹芯复合材料及其制备方法。

背景技术

目前，一种采用纤维增强树脂基复提供一种Z向增强水下吸声夹芯复合材料及其制备方法，解决现有水下吸声夹芯复合材料无法完全兼顾结构承载性能与吸声性能的问题，实现水下吸声复合材料的高结构承载性能与高吸声性能一体化合材料作为面板，采用橡胶、聚氨酯、柔性环氧树脂等弹性体为吸声芯材，具有结构承载与吸声一体化的夹芯结构复合材料，正在逐渐替代原有“钢+消声覆盖层”的吸声结构，实现减重、隐身、抗腐蚀的综合目的，成为未来水下吸声结构的重要发展趋势之一。

具备结构承载与吸声一体化的水下吸声结构，必须具备足够的刚度、抗水压能力以及优异的吸声性能，这些性能的高低主要取决于芯层，如提高芯层的强度和模量则能有效提高夹芯结构的刚度、抗水压能力，降低芯层的强度和模量则有利于提高损耗因子，进而提高夹芯结构的吸声性能。显而易见，同时提高吸声结构的刚度、抗水压能力和提高吸声结构的吸声性能是矛盾的。由于吸声结构的边缘方便用耐水压的材料保护，且对吸声性能影响非常有限，水压对吸声结构的侧面的影响可以忽略不计，所以矛盾的焦点集中于吸声结构的厚度方向（Z向）。

针对以上问题，近年来学者们开展了大量的研究。最常见的方法有三种；一是在为了兼顾结构性能与吸声性能，在设计和制备结构承载与吸声一体化夹芯结构复合材料的过程中，同时损失部分的结构力学性能和吸声性能，这种方法导致了无法获得高性能的结构承载与吸声一体化水下吸声结构，限制了这种结构的使用范围；二是存在金属骨架，且金属骨架的长度和宽度小于300mm时，通过提高复合材料的厚度、模量来实现结构承载与吸声的一体化，这种方法有明显的局限性，且复合材料的厚度增加一定程度上会降低吸声性能；三是在吸声结构中增加复合材料骨架，如文献“水下声隐身夹芯复合结构声学特性试验研究”中提到了该方法，这种方法虽然有利于提高Z向的抗压能力和整体结构的刚度，但是工艺繁琐，难以工程应用，尤其是对曲面结构，另外，复合材料骨架会大幅度增加吸声结构的重量，不利于减重和提高水下航行器的机动性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种Z向增强水下吸声夹芯复合材料及其制备方法，解决现有水下吸声夹芯复合材料无法完全兼顾结构承载性能与吸声性能的问题，实现水下吸声复合材料的高结构承载性能与高吸声性能一体化。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的Z向增强水下吸声夹芯复合材料，包括复合材料面板、吸声芯材以及在上面板和下面板之间、吸声芯层的厚度方向即Z向设置的增强结构，Z向增强型水下吸声夹芯复合材料的整体结构采用真空辅助成型工艺成型；所述的面板分为上面板和下面板，它们均为纤维织物增强树脂基复合材料，其增强材料首选但不仅限于S玻璃纤维织物或碳纤维与S玻璃纤维的混杂纤维织物，织物结构包括但不仅限于平纹布、斜纹布、缎纹布及多轴向经编织物；树脂基体为粘度低于800mPa·s的环氧树脂或者乙烯基树脂，环氧树脂的固化采用胺类固化剂；乙烯基树脂采用过氧化物、钴离子促进剂固化体系；上面板和下面板的纤维重量含量为50～65%；增强结构包括但不仅限于纤维增强复合材料柱、钛杆（针）、不锈钢杆（针）；所述的吸声芯层为弹性体材料，包括但不仅限于橡胶、聚氨酯、柔性环氧树脂材料。

所述的吸声芯层的弹性体材料包括但不仅限于实心均质材料、实心阻抗渐变梯度材料、内置不同形状声腔结构的均质材料以及内置不同形状声腔结构的阻抗渐变梯度材料。

所述的吸声芯层芯材上表面和下表面均设有单向的凹槽，凹槽截面为半圆、矩形、三角形，间距为10 mm～60mm。凹槽可以在吸声芯层成型是预留，也可以成型后采用机加工方法获得。

优选的增强结构为纤维增强复合材料柱，复合材料柱的增强材料首选连续纤维、次选短切纤维，适用本专利的增强纤维包括但不仅限于玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、超高分子量聚乙烯纤维及玄武岩纤维，树脂基体与复合材料面板的基体一致。

所述的增强结构为点阵分布，分布形式包括但不仅限于矩形、菱形，增强结构的截面优选圆形，其直径为2mm～10mm，间距为10mm～60mm。

本专利所述的Z向增强水下吸声夹芯复合材料的成型方法依次包括：

（1）吸声芯层预成型：橡胶基体吸声芯层采用模压工艺成型；吸声芯层有预留的凹槽或有通孔；聚氨酯、柔性环氧树脂基体吸声芯层采用浇注成型工艺成型，固化、脱模后，进行修整；

（2）机械钻孔：对于为预留有通孔的吸声芯层，按照设计的孔洞分布，在吸声芯层的凹槽中，采用机械钻孔的方法开通孔，孔的直径为2mm～10mm；

（3）吸声芯层的穿纱工艺：用钢针带动连续纤维丝束通过吸声芯层的通孔，使纤维丝束充满吸声芯层上的每一个通孔及凹槽；

（4）吸声芯层中嵌入钛杆或不锈钢杆：本步骤是步骤（3）的替代步骤，通过在钛杆或不锈钢杆上涂抹结构胶，将其嵌入吸声芯层的通孔中，固化，修整；

（5）整体结构的真空辅助成型工艺成型：该步骤为真空辅助成型工艺，工艺过程包含裁剪和干燥纤维织物、准备脱模布、导流布、树脂管、真空管、真空袋膜、铺覆下面板的纤维织物、安放吸声芯层、铺覆上面板的纤维织物、布置脱模布和导流布、安放树脂管和真空管、采用真空袋膜和密封胶带密封、配料及除气泡、真空条件下灌注树脂、固化。该成型工艺与一般真空辅助成型工艺的区别在于导流布的长度由凹槽的尺寸决定。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

本发明的Z向增强水下吸声夹芯复合材料与现有水下吸声夹芯复合材料相比，平压强度大幅度提高，压缩模量提高了一个数量级以上，弯曲刚度提高了一倍，吸声性能提高10～85%，尤其是高水压下的吸声性能提高了50～85%，解决了现有水下吸声复合材料无法完全兼顾结构承载性能与吸声性能的问题，实现了高结构承载性能与高吸声性能的一体化。

Z向增强水下吸声夹芯复合材料的制备方法具有可操作性强、质量一致性好、适合大型复合材料构件成型等优点，可用于水下航行器用吸声复合材料构件的建造。

附图说明

图1为Z向增强水下吸声夹芯复合材料梁、板、壳结构件示意图之一。

图2为Z向增强水下吸声夹芯复合材料梁、板、壳结构件示意图之二。

图3为吸声芯层的Z向的增强结构和表面的凹槽示意图。

图4为实施例1中，两种水下吸声夹芯复合材料在常压下的吸声频谱。

图5为实施例1中，两种水下吸声夹芯复合材料在3.0MPa下的吸声频谱。

图6为实施例1中，两种水下吸声夹芯复合材料在4.5MPa下的吸声频谱。

附图中：1为复合材料面板，包括玻璃纤维面板、碳纤维面板、混杂纤维面板等；2为吸声芯材，包括橡胶吸声材料、聚氨酯吸声材料、柔性环氧树脂吸声材料等；3为增强结构，包括纤维增强复合材料柱、耐海水腐蚀的钛杆（针）、不锈钢杆（针）等；4为凹槽，包括矩形截面凹槽、半圆形截面凹槽、开口三角形截面凹槽等；5为一般夹芯结构吸声复合材料的吸声频谱；6为Z向增强水下吸声夹芯复合材料的吸声频谱。

具体实施方式

下面结合附图对本专利进一步解释说明。但本专利的保护范围不限于具体的实施方式。

实施例一

本实施例中的Z向增强水下吸声夹芯复合材料，它由玻璃纤维增强复合材料上、下面板、吸声芯层以及设置在上下面板之间的玻璃纤维增强复合材料柱构成。上面板和下面板的配方为：基体树脂SWANCOR901-200为3.0kg，固化剂为MEKP为0.06kg，促进剂萘酸钴0.009kg，增强纤维为S2斜纹织物，纤维重量含量60～62%，尺寸为500mmх500mmх5mm；吸声芯层配方为：环氧树脂基体为6kg（其中E51为2.4kg，6350为3.6kg），填料为2.4kg（其中玻璃鳞片1.2kg，蛭石粉0.6kg，半补强炭黑0.3kg，白炭黑0.3kg），环氧固化剂5784为2.4kg，偶联剂KH550为0.06kg，芯层尺寸为500mmх500mmх40mm，芯材上表面和下表面均设有单向的凹槽，凹槽间距为20mm，凹槽宽度为5mm，深度为2mm，沿芯材的厚度方向上设有圆形穿孔，穿孔正交，竖直布置，孔中为复合材料圆柱，其配方为：基体树脂SWANCOR901-200为3.0kg，固化剂为MEKP为0.06kg，促进剂萘酸钴0.009kg，增强纤维为10000 Tex的E玻纤纱束，纤维重量含量为50%，直径为5mm。

本实施例中的Z向增强水下吸声夹芯复合材料成型方法如下：

（1）改性的柔性环氧吸声芯层预成型。按上述配比称量原材料，依次添加基体树脂、填料、偶联剂、固化剂，混合均匀、除气泡、浇注至备好的模具中、固化、脱模、修整。脱模后的吸声芯层有设计预留的凹槽。

（2）机械钻孔。在吸声芯层的凹槽中，采用机械钻孔的方法开通孔，孔的直径为5mm，间距20mm。

（3）吸声芯层的穿纱工艺。采用专门设计的钢针，带动连续纤维丝束通过吸声芯层的通孔，使纤维丝束充满吸声芯层上的每一个通孔及凹槽。

（4）整体结构的真空辅助成型工艺成型。工艺过程包含裁剪和干燥纤维织物，准备脱模布、导流布、树脂管、真空管、真空袋膜等辅助用材，铺覆下面板的纤维织物，安放吸声芯层，铺覆上面板的纤维织物，布置脱模布和导流布、安放树脂管和真空管、采用真空袋膜和密封胶带密封、配料及除气泡、真空条件下灌注树脂、固化等过程。

本实施例中得到的Z向增强水下吸声夹芯复合材料与一般兼顾结构承载与吸声的夹芯结构复合材料的结构性能对比如表1，水下吸声性能分别如图4、图5、图6。

表1 一般夹芯结构吸声复合材料与本发明实施例一技术的结构性能对比

对比项目	平压强度	压缩模量	弯曲刚度
				一般兼顾结构承载与吸声的夹芯结构复合材料	10%变形量下的平压强度为3.1MPa	33MPa	5.7E+8 N/mm²
实施例一中制备的材料	2%变形量下的平压强度为6MPa	400MPa	1.2E+9 N/mm²

有表1、图4、图5、图6可以知道，相比一般兼顾结构承载与吸声的夹芯结构复合材料，本发明的Z向增强型水下吸声夹芯复合材料的平压强度大幅度提高，压缩模量提高了一个数量级以上、弯曲刚度提高了一倍，2kHz～30kHz范围内，常压下吸声性能提高20%，3.0MPa水压下吸声性能提高了约54%，4.5MPa水压下吸声性能提高了约83%。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处在于吸声芯层为聚氨酯弹性体材料，其他组成、结构形式、制备方法与实施例一相同。

本实施例中的结构性能与水下吸声性能的提高幅度与实施例一一致。

实施例三

本实施例与实施例一或二的不同之处在于吸声芯层为合成橡胶，且橡胶吸声材料的成型工艺为模压成型工艺。其他组成、结构形式、制备方法与实施例一或二相同。

Claims

1. 一种Z向增强水下吸声夹芯复合材料，其特征是：包括复合材料面板、吸声芯材以及在上面板和下面板之间、吸声芯层的厚度方向即Z向设置的增强结构，Z向增强水下吸声夹芯复合材料的整体结构采用真空辅助成型工艺成型；所述的面板分为上面板和下面板，它们均为高性能纤维织物增强树脂基复合材料，其增强材料为S玻璃纤维织物或碳纤维与S玻璃纤维的混杂纤维织物，织物结构为平纹布、斜纹布、缎纹布或多轴向经编织物；树脂基体为粘度低于800mPa·s的环氧树脂或者乙烯基树脂，环氧树脂的固化采用胺类固化剂；乙烯基树脂采用过氧化物、钴离子促进剂固化体系；上面板和下面板的纤维重量含量为50～65%；增强结构为维增强复合材料柱、钛杆、钛针、不锈钢杆或不锈钢针；所述的吸声芯层为弹性体材料。

2.根据权利要求1所述Z向增强水下吸声夹芯复合材料，其特征是：所述的吸声芯层的弹性体材料为橡胶、聚氨酯、柔性环氧树脂材料。

3.根据权利要求1所述Z向增强水下吸声夹芯复合材料，其特征是：所述的吸声芯层的弹性体材料为实心均质材料、实心阻抗渐变梯度材料、内置不同形状声腔结构的均质材料或内置不同形状声腔结构的阻抗渐变梯度材料。

4.根据权利要求1所述Z向增强水下吸声夹芯复合材料，其特征是：所述的吸声芯层芯材上表面和下表面均设有单向的凹槽，凹槽截面为半圆、矩形、三角形，间距为10 mm～60mm；凹槽为在吸声芯层成型时预留，或者成型后采用机加工方法获得。

5.根据权利要求1所述Z向增强水下吸声夹芯复合材料，其特征是：所述的增强结构为纤维增强复合材料柱，复合材料柱的增强材料为连续纤维或短切纤维。

6.根据权利要求5所述Z向增强水下吸声夹芯复合材料，其特征是：所述的复合材料柱的增强材料为玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、超高分子量聚乙烯纤维或玄武岩纤维，树脂基体与复合材料面板的基体一致。

7.根据权利要求1所述Z向增强水下吸声夹芯复合材料，其特征是：所述的增强结构为点阵分布，分布形式为矩形或菱形，增强结构的截面为圆形，其直径为2mm～10mm，间距为10mm～60mm。

8.一种权利要求1所述Z向增强水下吸声夹芯复合材料的成型方法，其特征是：成型方法依次包括：

（5）整体结构的真空辅助成型工艺成型：该步骤为真空辅助成型工艺，工艺过程包含裁剪和干燥纤维织物；准备脱模布、导流布、树脂管、真空管、真空袋膜；铺覆下面板的纤维织物；安放吸声芯层；铺覆上面板的纤维织物；布置脱模布和导流布；安放树脂管和真空管；采用真空袋膜和密封胶带密封；配料及除气泡；真空条件下灌注树脂；固化。