CN104401011B - 夹芯结构复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种夹芯结构复合材料及其制备方法。该夹芯结构复合材料包括上面板、下面板和芯层，芯层位于上面板和下面板之间，芯层包括至少2根中空矩形管，中空矩形管以并列平行的方式排布于芯层中，相邻的中空矩形管之间设有管间插层。制备方法包括准备中空矩形管、准备预成型体、组装VIMP成型***、真空注胶、共固化成型和后续处理。本发明的夹芯结构复合材料能够在满足轻量化目标的同时，大幅提高材料的抗侧压性能，制备方法操作简单、成本低廉。

Description

夹芯结构复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于纤维增强树脂基复合材料及其加工领域，涉及一种夹芯结构复合材料及其制备方法，尤其涉及以单向纤维增强复合材料中空矩形管为夹芯的树脂基复合材料结构件。

背景技术

夹芯结构复合材料自二十世纪四十年代出现以来，受到越来越多的关注，其主要特点是抗弯刚度大，结构重量轻，即夹芯结构具有高的比强度和比模量，而且耐疲劳、抗振动性能好，隔音、隔热等性能优异，一直是工程应用中重要的结构材料。但是，传统夹芯结构复合材料多采用泡沫、蜂窝等夹芯材料，侧压性能严重不足，限制了其在某些主承力结构中的应用。

随着列车运行的高速化和新型轨道交通方式的发展，列车部件复合材料轻量化趋势越来越明显。为减轻车体重量，可采用复合材料夹芯结构设计和制备车底架构件。

车底架构件承受横向载荷和纵向载荷。其中，横向载荷主要包括车辆正常运行状态下车体重量载荷，底架下面板挂载设备的重量载荷，均布在底架上面板上的乘客与行李重量载荷；纵向载荷主要是车辆走行时的牵引载荷，紧急制动下车厢间碰撞的压缩载荷、冲击载荷等，其中，车端压缩载荷是设计者需要关注的重点。

车底架承受的横向载荷对应夹芯结构的弯曲载荷，纵向载荷对应夹芯结构的侧向载荷。传统夹芯结构平压性能好，抗弯刚度高，能很好地满足车底架横向载荷的要求，但其侧压性能严重不足，无法满足车底架纵向压缩载荷的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够在满足轻量化目标的同时，大幅提高材料抗侧压性能的夹芯结构复合材料，并相应提供一种操作简单、成本低廉的夹芯结构复合材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种夹芯结构复合材料，所述夹芯结构复合材料包括上面板、下面板和芯层，所述芯层位于上面板和下面板之间，所述芯层包括至少2根中空矩形管，所述中空矩形管以并列平行的方式排布于所述芯层中，相邻的所述中空矩形管之间设有管间插层。

上述的夹芯结构复合材料中，优选的，所述中空矩形管是由单向纤维增强树脂基复合材料构成，所述单向纤维增强树脂基复合材料中的增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或多种，所述单向纤维增强树脂基复合材料中的树脂基体包括聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的一种或多种。

上述的夹芯结构复合材料中，优选的，所述管间插层是由纤维增强树脂基复合材料构成，所述纤维增强树脂基复合材料中的纤维增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或多种，所述纤维增强材料的形式包括多轴向织物或毡，所述纤维增强树脂基复合材料中的树脂基体包括聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的一种或多种。

上述的夹芯结构复合材料中，优选的，所述上面板和下面板均是由多轴向织物增强树脂基复合材料构成，所述多轴向织物包括玻璃纤维多轴向织物、碳纤维多轴向织物、芳纶纤维多轴向织物中的一种或多种，所述树脂基体包括聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的一种或多种。

上述的夹芯结构复合材料中，优选的，所述中空矩形管横截面的外边长为5mm～150mm。

上述的夹芯结构复合材料中，优选的，所述中空矩形管的管壁厚度为1mm～10mm。

上述的夹芯结构复合材料中，优选的，所述管间插层的厚度（即相邻的所述中空矩形管之间的管间距）为0.5mm～5.0mm。

上述的夹芯结构复合材料中，优选的，所述上面板的厚度为0.2mm～20mm；所述下面板的厚度为0.2mm～20mm。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的夹芯结构复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）准备中空矩形管：采用拉挤成型工艺制备预设尺寸的中空矩形管；

（2）准备预成型体：在一刚性模具上依次铺放夹芯结构复合材料所需的下面板增强材料、中空矩形管、管间插层增强材料和上面板增强材料，得到预成型体；

（3）组装VIMP成型***：在所述预成型体上依次铺放脱模布和导流网，并设置好注胶咀和溢胶咀，然后在所述刚性模具***包覆真空袋膜形成一模腔，将所述预成型体、脱模布、导流网、注胶咀、溢胶咀均密封于模腔中，再将所述注胶咀、溢胶咀分别连接至VIMP工艺用注胶***和抽真空***，得到VIMP成型***；

（4）真空注胶：检查所述VIMP成型***的气密性后，准备树脂体系，通过抽真空方式向VIMP成型***的模腔中注入所述树脂体系，直至树脂充填完毕，停止注入；

（5）共固化成型：按照预设的固化制度进行共固化成型；

（6）后续处理：共固化成型后，先将所述真空袋膜、导流网、脱模布和刚性模具全部卸除，对成型后的固化体进行后处理，得到夹芯结构复合材料。

上述的制备方法中，优选的，所述共固化成型时的固化制度为：在20℃～220℃下保温固化1h～24h。

本发明中，中空矩形管可以为中空长方形管或者中空正方形管，中空矩形管、管间插层、上面板和下面板的各个尺寸和所需材料均可根据实际制备构件的需要来进行设定，以满足不同的强度和承力要求。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明采用并行排列的单向纤维增强树脂基复合材料中空矩形管为夹芯材料，且整体采用真空袋压成型，由此制备的夹芯结构复合材料构件除了具有传统夹芯结构抗弯刚度大，结构重量轻的优点外，还具有抗侧压（沿中空矩形管轴向）性能高的特点，大幅度改善了传统夹芯结构侧压性能不足的缺点，可用于轨道交通、船舶、航天器等主承力结构。

（2）本发明的中空矩形管可根据产品使用要求，采用单向玻璃纤维、碳纤维、玻/碳混杂纤维或者其他增强纤维增强，以拉挤工艺成型，成型工艺简单，制备效率高。以中空矩形管作为夹芯，可满足最终成型的夹芯结构复合材料轻量化的要求，同时，中空矩形管采用单向纤维增强，矩形管轴向具有很强的抗压性能，矩形管并行排列作为夹芯材料时，可赋予夹芯结构复合材料很强的抗侧压性能。

（3）本发明以织物铺层为上、下面板增强材料，在并行排列的中空矩形管间***适当的增强材料，与上、下面板增强材料联通，使上、下面板和管间插层整体形成一种多联通域的多墙体结构。以管间增强材料插层联通上下面板增强材料，形成多墙体结构预成型体，可方便利用液相浸渍工艺整体制备夹芯结构复合材料，属于液相整体成型技术，工艺操作简便，制备成本低。

（4）本发明的方法（液体成型方法）整体制备的中空矩形管夹芯结构复合材料的外形尺寸、形位公差受刚性阴模保证，容易满足设计要求。本发明的方法采用拉挤工艺制备了单向纤维增强的中空矩形管、采用液相浸渍工艺整体制备了中空矩形管夹芯结构复合材料车底架构件，制品表面及内部无明显缺陷，制成的复合材料车底架性能优异，在承受同等载荷的条件下，重量比原铝合金结构车底架大幅降低。试制的各型中空矩形管夹芯结构复合材料全部通过了承载性能测试，完全满足设计指标的要求。

综上，本发明的夹芯结构复合材料以单向纤维增强复合材料中空矩形管为芯材和纵向主承力单元，能大幅提高夹芯结构的纵向抗压性能，从根本上解决了传统夹芯结构侧压性能严重不足，不能作为承受很大纵向载荷结构件（对应夹芯结构的侧向载荷）使用的问题。

附图说明

图1为本发明实施例中夹芯结构复合材料的剖面结构示意图。

图2为本发明实施例中VIMP工艺用注射成型***的结构示意图。

图例说明：1、上面板增强材料；2、下面板增强材料；3、管间插层增强材料；4、中空矩形管；5、刚性模具；6、导流网；7-1、注胶咀；7-2、注胶管；8、真空袋膜；9、脱模布；10-1、溢胶咀；10-2、溢胶管；11、密封胶条；12、上面板；13、下面板；14、管间插层。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1 制备中空矩形管夹芯结构复合材料平板

一种本发明的夹芯结构复合材料，如图1所示，该夹芯结构复合材料包括上面板12、下面板13和芯层，芯层位于上面板12和下面板13之间，芯层包括5根中空矩形管4，在芯层中，中空矩形管4以并列平行的方式进行排布（间隔排布），相邻的中空矩形管4之间设有管间插层14。

本实施例中，中空矩形管4是由单向玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂基复合材料构成，管间插层14是由玻璃纤维增强环氧树脂复合材料构成，上面板12和下面板13均是由玻璃纤维增强环氧树脂复合材料构成。

本实施例中，中空矩形管4横截面的外长为50mm，外宽为46mm，管壁厚度为3mm，管间插层14的厚度为1mm，上面板12的厚度为3mm，下面板13的厚度为3mm。。

一种上述本实施例的夹芯结构复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）准备中空矩形管4（即方管）

在拉挤设备上，采用截面尺寸为50mm×46mm×3mm（壁厚）的中空矩形管模具，拉挤成型出单向玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂中空矩形管。对成型后的中空矩形管4进行表面打磨、清洗处理后，裁切成长度为400mm的中空矩形管4备用。

（2）准备预成型体：

在500mm×500mm的刚性模具5（即金属平板模具）面上进行打磨清理处理后，涂覆脱模剂，备用。将玻璃纤维多轴向织物（购自重庆国际复合材料有限公司，也可以为玻璃纤维平纹织物），厚度0.5mm剪裁成400mm×260mm方块共计12块，400mm×46mm长条共计8块，在105℃烘箱中烘干10h，备用。

在准备好的刚性模具5上，依次铺放6层400mm×260mm玻璃纤维织物（即下面板增强材料2）后，在织物铺层上平行铺放前期准备的5根拉挤中空矩形管4，相邻中空矩形管4之间***2块400mm（长）×46mm（作为高）长条玻璃纤维织物（即管间插层增强材料3，厚为1mm），然后在中空矩形管4上继续铺放6层400mm×260mm玻璃纤维织物（即上面板增强材料1），得到预成型体。

（3）组装VIMP成型***：在步骤（2）得到的预成型体上依次铺放脱模布9和导流网6，并设置好注胶咀7-1和溢胶咀10-1（即抽气口），然后在刚性模具5周边距预成型体70mm处粘贴密封胶条11，在刚性模具5***包覆真空袋膜8形成一模腔，使预成型体、脱模布9、导流网6、注胶咀7-1、溢胶咀10-1均密封于模腔中，再将注胶咀7-1通过注胶管7-2连接至一注胶***，将溢胶咀10-1通过溢胶管10-2连接至一抽真空***，抽真空***包括树脂收集器（与溢胶管10-2相连）和真空泵（与树脂收集器相连），得到VIMP成型***。

（4）真空注胶：检查VIMP成型***的气密性后，准备树脂体系并开启真空泵，将环氧树脂LT-5078A（购自会展电子材料（上海）有限公司）和相应的固化剂LT-5078-2按100∶30的质量比混合后，将注胶管7-2***注胶***的胶桶中，打开注胶阀门，使胶液在真空压力作用下导入密封模腔中，通过注胶管7-2、导流网6等迅速分流、浸渗预成型体（纤维床）。树脂浸渗完成后，关闭注胶阀门。

（5）共固化成型：维持***真空，将模具***（即刚性模具至真空袋膜、连同还未固化的复合材料的部分）送入烘箱，烘箱升温至70℃，保温4h，使密封在真空袋膜内的夹芯结构复合材料固化。

（6）后续处理：脱除真空袋膜8、脱模布9、导流网6、注胶咀7-1、注胶管7-2、溢胶咀10-1、溢胶管10-2等辅助材料，轻轻敲击，使夹芯结构复合材料从刚性模具（即金属平板）上脱除，去除飞边，得到中空矩形管夹芯结构复合材料平板。

据测试，采用本实施例制备的中空矩形管夹芯复合材料试样，可以承受163.7kN的侧压载荷不破坏，而采用同种工艺、相同面板材料和铺层制备的泡沫夹芯复合材料试样，仅能承受2.0kN的侧压载荷，前者承受的侧压载荷是后者的81倍。

实施例2 制备碳纤维增强中空矩形管夹芯结构复合材料车底架

一种本发明的夹芯结构复合材料（示意结构可参见图1），该夹芯结构复合材料包括上面板12、下面板13和芯层，芯层位于上面板12和下面板13之间，芯层包括54根中空矩形管4，在芯层中，中空矩形管4以并列平行的方式间隔排布，相邻的中空矩形管4之间设有管间插层14。

本实施例中，中空矩形管4是由单向碳纤维增强环氧树脂基复合材料构成，管间插层14是由玻璃纤维增强环氧树脂复合材料构成，上面板12和下面板13均是由碳纤维增强环氧树脂复合材料构成。

本实施例中，中空矩形管4横截面的外长为50mm，外宽为46mm，管壁厚度为3mm，管间插层14的厚度为1.7mm，上面板12的厚度为1.5mm，下面板13的厚度为3mm。

一种上述本实施例的夹芯结构复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）准备中空矩形管4（即方管）

采用拉挤工艺制备出单向碳纤维增强环氧树脂复合材料方管，方管截面尺寸为50mm×46mm×3mm（壁厚）。对成型后的方管进行表面打磨、清洗处理后，按车底架长度裁切、备用。

（2）准备预成型体：

在内置电阻丝加热***的复合材料车底架模具（即刚性模具5）工作面上进行打磨清理处理后，涂覆脱模剂，备用。根据车底架增强材料用量，将碳纤维多轴向织物（购自江苏恒神纤维材料有限公司）剪裁成15000mm×2800mm方块，玻璃纤维毡（购自江苏丹阳中亚玻璃纤维有限公司）剪裁成15000mm×46mm长条，在105℃烘箱中烘干10h，备用。

在准备好的车底架模具上，根据设计要求，依次铺放10层15000mm×2800mm碳纤维多轴向织物（即下面板增强材料2）后，在织物铺层上平行铺放前期准备的54根中空矩形管4，相邻中空矩形管4之间***1块15000mm（长）×46mm（作为高）的玻璃纤维毡（即管间插层增强材料3，厚为1.7mm），然后在中空矩形管4上继续铺放5层15000mm×2800mm多轴向碳纤维织物（即上面板增强材料1），得到预成型体。

（3）组装VIMP成型***：根据真空导入走胶工艺设计，在步骤（2）得到的预成型体上依次铺放脱模布9和导流网6，并设置好注胶咀7-1和溢胶咀10-1（即抽气口），在刚性模具5周边距纤维床100mm处粘贴密封胶条11，然后在刚性模具5***包覆真空袋膜8形成一模腔，使预成型体、脱模布9、导流网6、注胶咀7-1、溢胶咀10-1均密封于模腔中，再将注胶咀7-1通过注胶管7-2连接至一注胶***，将溢胶咀10-1通过溢胶管10-2连接至一抽真空***，抽真空***包括树脂收集器（与溢胶管10-2相连）和真空泵（与树脂收集器相连），得到VIMP成型***。

（4）真空注胶：检查VIMP成型***的气密性后，准备树脂体系并开启真空泵，将环氧树脂EPOLAM2040及其固化剂2047按100∶40的体积比混合后，将注胶管7-2***注胶***的胶桶中，打开注胶阀门，使胶液在真空压力作用下导入密封模腔中，通过注胶管7-2、导流网6等迅速分流、浸渗纤维床中的增强织物后，关闭注胶阀门。

（5）共固化成型：维持***真空，并在真空袋膜上覆盖保温棉被，启动模具加热装置，使模具升温至70℃，保温6h，使密封在真空袋膜内的夹芯结构复合材料固化。

（6）后续处理：脱除真空袋膜8、脱模布9、导流网6、注胶咀7-1、注胶管7-2、溢胶咀10-1、溢胶管10-2等辅助材料，轻轻敲击，使中空矩形管夹芯结构复合材料车底架与复合材料模具分离，去除飞边，得到中空矩形管夹芯结构复合材料车底架产品。

经测试，该中空矩形管夹芯结构复合材料车底架重量仅1050kg，比原铝合金构件重量减轻22.5%。载荷试验表明，复合材料车底架的应力应变水平都低于材料应力许用值，并满足车底架设计要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种夹芯结构复合材料，其特征在于，所述夹芯结构复合材料包括上面板、下面板和芯层，所述芯层位于上面板和下面板之间，所述芯层包括至少2根中空矩形管，所述中空矩形管以并列平行的方式排布于所述芯层中，相邻的所述中空矩形管之间设有管间插层；

所述中空矩形管是由单向纤维增强树脂基复合材料构成，所述单向纤维增强树脂基复合材料中的增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或多种，所述单向纤维增强树脂基复合材料中的树脂基体包括聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的一种或多种；

所述管间插层是由纤维增强树脂基复合材料构成，所述纤维增强树脂基复合材料中的纤维增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或多种，所述纤维增强材料的形式包括多轴向织物或毡，所述纤维增强树脂基复合材料中的树脂基体包括聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的一种或多种；

所述上面板和下面板均是由多轴向织物增强树脂基复合材料构成，所述多轴向织物包括玻璃纤维多轴向织物、碳纤维多轴向织物、芳纶纤维多轴向织物中的一种或多种，所述树脂基体包括聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的一种或多种；

所述的夹芯结构复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）准备中空矩形管：采用拉挤成型工艺制备预设尺寸的中空矩形管；

（2）准备预成型体：在一刚性模具上依次铺放夹芯结构复合材料所需的下面板增强材料、中空矩形管、管间插层增强材料和上面板增强材料，得到预成型体；

（3）组装VIMP成型***：在所述预成型体上依次铺放脱模布和导流网，并设置好注胶咀和溢胶咀，然后在所述刚性模具***包覆真空袋膜形成一模腔，将所述预成型体、脱模布、导流网、注胶咀、溢胶咀均密封于模腔中，再将所述注胶咀、溢胶咀分别连接至VIMP工艺用注胶***和抽真空***，得到VIMP成型***；

（4）真空注胶：检查所述VIMP成型***的气密性后，准备树脂体系，通过抽真空方式向VIMP成型***的模腔中注入所述树脂体系，直至树脂充填完毕，停止注入；

（5）共固化成型：按照预设的固化制度进行共固化成型；

（6）后续处理：共固化成型后，先将所述真空袋膜、导流网、脱模布和刚性模具全部卸除，对成型后的固化体进行后处理，得到夹芯结构复合材料。

2.根据权利要求1所述的夹芯结构复合材料，其特征在于，所述中空矩形管横截面的外边长为5mm～150mm。

3.根据权利要求1所述的夹芯结构复合材料，其特征在于，所述中空矩形管的管壁厚度为1mm～10mm。

4.根据权利要求1所述的夹芯结构复合材料，其特征在于，所述管间插层的厚度为0.5mm～5.0mm。

5.根据权利要求1所述的夹芯结构复合材料，其特征在于，所述上面板的厚度为0.2mm～20mm；所述下面板的厚度为0.2mm～20mm。

6.根据权利要求1所述的夹芯结构复合材料，其特征在于，所述共固化成型时的固化制度为：在20℃～220℃下保温固化1h～24h。