CN110242849B - 热塑性复合芯材和包括该热塑性复合芯材的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热塑性复合芯材和包括该热塑性复合芯材的设备，该热塑性复合芯材包括多个沿第一方向延伸的芯材单元片，多个所述芯材单元片沿第二方向层叠拼接成单元拼接体，所述单元拼接体中形成有至少沿所述第一方向依次分布的多个轴孔结构，其中，所述芯材单元片为双层片材结构并包括具有相容性的功能层和用于承受载荷的结构层，所述功能层与所述结构层形成热复合连接，至少部分的所述芯材单元片的片材表面形成有沿芯材单元片长度方向依次分布且呈非闭合状以用于拼接形成所述轴孔结构的几何体。本发明的热塑性复合芯材不仅能实现轻质重载，还能通过将结构层和功能层复合的形式来组合各种不同性能，以适用于多样化的应用领域。

Description

热塑性复合芯材和包括该热塑性复合芯材的设备
技术领域
本发明涉及材料成型技术领域，具体地，涉及一种热塑性复合芯材和包括该热塑性复合芯材的设备。
背景技术
蜂窝芯板不仅具有低密度、高强度的优点，还具备减震、隔音、隔热等许多优异的性能，因此被广泛应用在船舶、交通运输、航空航天等领域。其中，热塑性蜂窝芯材更具有极高的比强度、废料可回收再生利用、热成型性能好等优势，相比传统的金属材料和非可再生的热固性材料更具有竞争力。
市面上的热塑性蜂窝芯材主要通过吹塑或吸塑的工艺生产成型，受限于加工压力和热塑性材料的塑性性能等，吸塑或者吹塑均不宜用来加工形状复杂或壁厚较大的产品，由此限制了热塑性蜂窝芯材的最大壁厚。此外，热塑性芯材由于壁厚较薄、容易产生破壁，不利于添加结构填料或者功能填料，导致热塑性芯材的功能多样化受限，无法满足实际应用中的多样化需求。
另外，随着实际应用需求的不断升级，由单一结构材料制备的热塑性蜂窝芯材已不能满足各种复杂的应用场景。在实际应用场景中，热塑性蜂窝芯材除了需要达到轻质重载的要求，往往还需要针对不同的使用环境来适应性地增加一些使用功能，如阻燃性能、隔音性能、防腐性能等。现有的蜂窝形芯材通常通过在蜂窝壁的基体材料中分散性地添加功能填料的方式来产生新的功能，但功能材料受限于可添加的比例以及分散性的分布特点，其产生的功能效果也大大受限，导致现有的热塑性芯材在功能需求多样化方面存在瓶颈。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷或不足，本发明的目的是提供一种新型的热塑性复合芯材和包括该热塑性复合芯材的设备，该热塑性复合芯材具有双层结构，兼备结构强度高和功能多样化的优点，满足实际应用中多样化的需求。
为了实现上述目的，本发明提供了一种热塑性复合芯材，所述热塑性复合芯材包括多个沿第一方向延伸的芯材单元片，多个所述芯材单元片沿第二方向层叠拼接成单元拼接体，所述单元拼接体中形成有至少沿所述第一方向依次分布的多个轴孔结构，所述轴孔结构包括轴向沿第三方向的拼接轴孔和围绕所述拼接轴孔的周向封闭的轴孔周壁；
其中，所述芯材单元片为双层片材结构并包括具有相容性的功能层和用于承受载荷的结构层，所述功能层与所述结构层形成热复合连接，至少部分的所述芯材单元片的片材表面形成有沿芯材单元片长度方向依次分布且呈非闭合状以用于拼接形成所述轴孔结构的几何体。
可选地，所述结构层的片层厚度不小于0.1mm。
可选地，任意形状的所述拼接轴孔的外接圆的直径不小于1mm；和/或，任意形状的所述拼接轴孔的孔轴长与该拼接轴孔的外接圆的直径之比不大于200。
可选地，所述结构层的材质包括热塑性聚合物、填料填充的热塑性聚合物、纤维增强的热塑性树脂基复合材料、塑性形变纸张和/或钢塑复合物。
进一步地，所述热塑性聚合物可为聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、热塑性聚酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚苯醚、热塑性弹性体、多元共聚热塑性塑料、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮和聚酰亚胺中的一种或其中多种的共混物。
更进一步地，填料填充的所述热塑性聚合物中的填料可为蜡、滑石粉、炭黑、白炭黑、高岭土、碳酸钙、硬脂酸、硬脂酸钙、晶须、二氧化钛、氧化铁、颜料、阻燃剂和抗氧剂中的一种或其中多种的组合物。
可选地，纤维增强的所述热塑性树脂基复合材料中的纤维为有机纤维、无机纤维、金属纤维、高分子纤维、植物纤维中的一种或多种。
可选地，纤维增强的所述热塑性树脂基复合材料中的纤维为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、钢丝纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维和麻纤维中的一种或者其中多种的组合物。
进一步地，所述功能层可为阻燃层、抗紫外层、颜色层、阻热或传热层、透磁或阻磁层、抗菌层、或隔音层中的一种或者多种功能组合层。
进一步地，所述功能层的材质包括阻燃填料填充聚合物、抗紫外填料填充聚合物、颜料填料填充聚合物、阻热或传热填料填充聚合物、透磁或阻磁填料填充聚合物、抗菌填料填充聚合物、隔音填料填充聚合物中的一种或者多种组合物。
在一些实施例中，所述单元拼接体至少包括沿所述第二方向依次层叠拼接的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片，所述第二芯材单元片的所述结构层与一侧的所述第一芯材单元片的所述结构层抵接相连，所述第二芯材单元片的所述功能层与另一侧的所述第三芯材单元片的所述功能层抵接相连。
在一些实施例中，所述单元拼接体至少包括沿所述第二方向依次层叠拼接的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片，所述第二芯材单元片的所述结构层与一侧的所述第一芯材单元片的所述功能层抵接相连，所述第二芯材单元片的所述功能层与另一侧的所述第三芯材单元片的所述结构层抵接相连。
可选地，所述单元拼接体至少包括沿所述第二方向依次层叠拼接的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片，所述第二芯材单元片通过几何形状高点与一侧的所述第一芯材单元片的几何形状低点抵接相连，且通过几何形状低点与另一侧的所述第三芯材单元片的几何形状高点抵接相连。
在一些实施例中，相邻的所述芯材单元片中，抵接相连的所述几何形状高点与所述几何形状低点之间形成为热复合连接的弧面接触、尖端接触或平面接触。
可选地，所述芯材单元片包括平整芯材单元片和片材表面形成有所述几何体的几何芯材单元片，任意相邻的两个所述芯材单元片中至少包括一个所述几何芯材单元片。
在一些实施例中，所述几何体形成为从所述几何芯材单元片的片材表面沿所述第二方向***的几何凸起部，所述几何凸起部内形成有轴向沿所述第三方向的几何体第一内孔，该几何体第一内孔沿所述第二方向呈单侧开口状；
其中，所述几何体第一内孔的单侧开口端由邻接的所述芯材单元片封闭以构成至少部分的所述拼接轴孔。
可选地，所述几何体为压制成型结构，所述几何体第一内孔为压制成型孔且为正六边形孔、菱形孔、腰形孔或不规则的异型孔的半分孔。
进一步地，在每个所述几何芯材单元片中，相同的各个所述几何体可沿所述第一方向等步距分布，由各个所述几何形状高点构成的几何形状高点面和由各个所述几何形状低点构成的几何形状低点面形成为沿所述第一方向的平行平面。
可选地，所述单元拼接体为长方体形状，所述第一方向与所述第二方向垂直且分别为所述单元拼接体的两个边长方向，所述第二方向垂直于所述芯材单元片的片材表面，所述第三方向为所述单元拼接体的厚度方向。
进一步地，当所述第三方向为承受压缩载荷方向时，所述单元拼接体的材料体积利用率可不低于60％，优选的，材料体积利用率可不低于80％；
和/或，在由所述第一方向与所述第二方向定义且与所述单元拼接体实体相交的任一平面中，平面空隙率不低于40％，进一步的，所述平面空隙率不低于60％。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括根据本发明上述的热塑性复合芯材的设备。
可选地，所述设备为车辆、建筑、风电设备、矿用设备或航空航天设备。
通过上述技术方案，本发明的热塑性复合芯材可适应性地将不同的功能材料与结构材料热复合成型为蜂窝形芯材，由此不仅保持了原有结构材料的轻质重载的优点，还能通过与功能性材料结合获得单一组成材料所不能达到的综合性能，如阻燃性能、屏蔽性能、吸音性能等。此外，本发明的热塑性复合芯材的蜂窝壁为结构层复合功能层的双层片材热复合结构，功能层连续分布、功能效果显著，且采用的功能层和结构层相容性好，结合强度高，满足了实际应用中的多样化的需求。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为根据本发明的具体实施例中，热塑性复合芯材的生产方法的流程示意图；
图2为根据发明的一种具体实施例的热塑材料成型设备；
图3为应用于图1的生产方法中的生产设备的一种具体实施例的结构示意图；
图4为构成本发明的单元拼接体的一种具体实施例的最小组成单元的芯材单元片的主视图；
图5为图4的局部放大示意图；
图6展示了根据本发明的一种具体实施例的热塑性复合芯材的立体结构；
图7为图6的主视图；
图8展示了图4所示的芯材单元片的一种层叠拼接的方式，其中任意相邻的两个芯材单元片的翻转方向相同；
图9为图8的局部放大示意图；
图10展示了图4所示的芯材单元片的另一种层叠拼接的方式，其中任意相邻的两个芯材单元片的翻转方向相反；
图11为图10的局部放大示意图；
图12为展示了一种根据本发明的热塑性复合芯材的结构的主视图，其中的拼接轴孔有多种形状，相邻的芯材单元片的结构形状不同。
附图标记说明：
100 单元拼接体 101 拼接轴孔
102 几何形状高点 103 几何形状低点
104 几何体 105 几何体第一内孔
106 几何体第二内孔 1 热塑材料成型设备
1a 第一挤出模具 1b 第二挤出模具
1c 热复合成型段 2 几何体成型组件
4 切割组件 5 导向定位组件
7 聚拢组件 8 热熔连接组件
10 平整片材
20 片材单元带 30 芯材单元片
31 平整芯材单元片 32 几何芯材单元片
A 结构层 B 功能层
D1 第一方向 D2 第二方向
D3 第三方向 Z 流水线平台垂直方向
X 流水线输出方向 Y 宽边输出方向
a 夹角 OO' 几何内孔中心线
W 芯材单元片宽度方向 L 芯材单元片长度方向
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明实施例中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。
下面将参考附图并结合示例性实施例来详细说明本发明。
本发明的示例性实施例中提供了一种热塑性复合芯材及其生产方法和生产设备。如图4～图12所示，本发明的热塑性复合芯材为蜂窝形芯材，即为图6中所示单元拼接体100，该单元拼接体100由多个沿第一方向D1延伸且沿第二方向D2层叠拼接的芯材单元片30组成。其中，芯材单元片30的成型板材为包括结构层A和功能层B的双层片材结构，该结构层A为用于形成承受载荷的结构材料，而功能层B则为用于提供各种功能的功能材料。
现有的热塑性蜂窝芯材通常通过在蜂窝壁的基体材料中分散性地添加功能填料的方式来增加热塑性蜂窝芯材的新功能，如阻燃、防热、屏蔽、吸声等功能。但是此种方式受限于功能填料的可添加最大比例以及实际分布状况，性能往往分散性大且难以精确控制材料的结构和性能，功能填料产生的功能效果也大大受限，导致现有的热塑性蜂窝芯材在进一步提高复合功能方面存在瓶颈。
此外，市面上的热塑性蜂窝形芯材主要有两种，一种是圆管式蜂窝芯材，即通过挤出壁厚较厚的圆管后将其吹塑形成壁厚较小的圆管，并将多根圆管堆成坨后放入烤箱进行加热，圆管加热后相互粘结形成圆管式蜂窝形芯材。此圆管式蜂窝芯材的生产简单但不连续、生产效率低。还有一种是在片材表面吸塑形成半蜂窝形结构，然后将成型后的片材折叠成蜂窝体结构，该折叠式蜂窝芯材生产连续但控制复杂，且物料浪费较多。再者，无论是圆管式蜂窝芯材还是折叠式蜂窝芯材，都需要通过吹塑或者吸塑的生产工艺成型，吹塑或吸塑均受限于加工压力和热塑性材料的塑性性能等，使得热塑性蜂窝芯材的最大壁厚受限且容易产生破壁，不利于添加结构填料或者功能填料，导致热塑性芯材的应用场合受限，无法满足实际应用中的多样化的需求。
相较于现有的热塑性蜂窝芯材，本发明的热塑性复合芯材除了保持了原有结构材料的轻质重载的优点以外，本发明的热塑性复合芯材的蜂窝壁为结构层复合功能层的双层片材热复合结构，可适应性地将不同的功能材料与结构材料热复合以获得单一结构材料所不能达到的综合性能。由于功能层与结构层是独立分层设置，不存在混合比例以及分散性的限制，能够更加精确地控制材料的结构以及性能。再者，本发明的热塑性复合芯材的功能层连续分布，所能达到的功能效果显著。此外，本发明的热塑性复合芯材采用的功能层和结构层相容性好，两者之间能产生物理或化学的相容性，如浸润性、反应性和互溶性等，两者的结合强度高，满足了实际应用中的多样化的需求。
进一步地，参见图1，本发明的热塑性复合芯材的生产方法可实现连续流水作业、生产效率高、大大降低生产成本、实现节约型生产，且无需采用吸塑或吹塑的生产工艺，无壁厚方面的限制，可生产出较大壁厚的的热塑性复合芯材，同时可添加各种增强填料或者功能填料，不会产生破壁，大大拓展了本发明的热塑性复合芯材的应用场合。
更进一步地，参见图2、图3，针对本发明的热塑性复合芯材的生产方法，相应地，本发明还提供了一种热塑性复合芯材的生产设备，该生产设备均由多个相对简单的装置组成，大大降低生产成本、并可实现连续大规模生产。
以下将述及本发明的热塑性复合芯材及其生产方法和生产设备。
其中，为了便于说明和理解本发明的热塑性复合芯材及其生产方法和生产设备，定义平整片材10从热塑材料成型设备1沿流水线持续输出的方向为流水线输出方向X，即平整片材10的长度方向；定义平整片材10的宽度方向为平整片材10的宽边输出方向Y；定义垂直于流水线平台的方向为垂直方向Z。参见图3，坐标系原点均设置在热塑材料成型设备1的上游，并通过流水线输出方向X、宽边输出方向Y和流水线平台垂直方向Z共同限定出了每一组生产设备的绝对坐标系。定义芯材单元片宽度方向为单元拼接体100的第三方向D3；定义芯材单元片长度方向L为单元拼接体100的第一方向D1；定义单元拼接体100的厚度方向为单元拼接体的第二方向D2。
参见图1，本发明的热塑性复合芯材的第一种生产方法可包括步骤：
S11、模内热复合成型具有结构层A和功能层B的平整片材10并沿流水线输出方向X持续输出；
S12、将平整片材10分割加工成沿宽边输出方向Y等宽且沿流水线输出方向X呈带状的多个芯材单元片30，其中至少部分的芯材单元片30的片材表面上加工有沿流水线输出方向X重复呈现的非闭合的几何体104；
S13、将多个芯材单元片30沿宽边输出方向Y层叠拼接成单元拼接体100，单元拼接体100包括沿流水线输出方向X依次分布并通过几何体104拼接形成的多个轴孔结构。
其中，在S11中，平整片材10的输出方式可采用挤出、流延、压延或辊压加工等。平整片材10均为具有结构层A和功能层B的双层片材热复合结构，结构层A和功能层B的材料具有相容性，可直接在生产流水线上热复合成型，即沿流水线输出方向X同步输出的结构材料和功能材料在模具内可不通过粘结剂直接热复合成型，由此双层片材热复合结构可连续沿流水线输出方向X直接成型输出，生产工艺简单连续。并且，功能层B可适应性地根据所需的功能选择不同的功能材料与结构层A的结构材料进行热复合，可选地，功能材料可为阻燃材料、隔音材料、防腐材料等其他符合本发明的功能材料。
并且，由于在本发明的第一生产方法中无吸塑或者吹塑工艺，故热塑性复合材料无壁厚方面限制，即沿流水线输出方向X持续输出的平整片材10中，结构层A的片层厚度可不小于0.1mm，由此形成的蜂窝形芯体的结构强度高。
需要说明的是，平整片材10可采用直接挤出的成型方式，由于平整片材10沿宽边输出方向Y的输出宽边尺寸有限，故可沿宽边输出方向Y多组输出平整片材10，由此增加沿宽边输出方向Y同步输出的几何芯材单元片32或平整芯材单元片31的数量，由此可较大程度地拓展单元拼接体100的生产尺寸。
进一步地，根据加工片材形状和分割片材的先后顺序，S12可包括子步骤：
S121、将平整片材10分割加工成沿宽边输出方向Y等宽且沿流水线输出方向X呈带状的多个片材单元带20；
S122、将至少部分的片材单元带20的片材表面上加工有沿流水线输出方向X重复呈现的非闭合的几何体104，从而形成沿流水线输出方向X呈带状的多个芯材单元片30。
或者，S12可包括子步骤：
S121’、将平整片材10的片材表面上加工有沿流水线输出方向X重复呈现的非闭合的几何体104；
S122’、将表面已加工完成的平整片材10分割加工成沿宽边输出方向Y等宽且沿流水线输出方向X呈带状的多个芯材单元片30。
本领域技术人员能够理解的是，平整片材10可通过调整用于加工出几何体104的模具的形状来加工出平整单元片材31或者几何芯材单元片32，几何体104的加工方式可采用辊压、板压或者链式模具挤压等。用于加工出几何体104的模具至少部分外周部形成有呈凸起状并沿平整片材10的宽边输出方向Y延伸的棱边压接部，以在平整片材10或片材单元带20的片材表面上加工出垂直于片材表面的几何凸起部，在几何凸起部上形成有在片材表面呈非闭合状的并沿宽边输出方向Y轴向贯通的几何体第一内孔105，即形成几何体104。如图3所示，加工出的芯材单元片30上加工出有几何内孔中心线OO’平行于宽边输出方向的几何体104。
进一步地，S13可包括：
将分割加工后的各个芯材单元片30分别翻转预设角度，使得翻转后的芯材单元片长度方向L保持沿流水线输出方向X，芯材单元片宽度方向W与平整片材10的宽边输出方向Y之间形成夹角a；沿宽边输出方向Y将翻转后的各个芯材单元片30收拢并层叠拼接成单元拼接体100。其中，为了便于在生产流水线上将各个芯材单元片30进行收拢层叠，各个芯材单元片30的旋转轴线PP’沿流水线输出方向X。翻转后的各个芯材单元片30的几何内孔中心线OO’可能会倾斜于流水线平台。可选地，如图3所示，夹角a为90°，翻转后的各个芯材单元片30的几何内孔中心线OO’垂直于流水线平台，即翻转后的各个芯材单元片30与平整片材10垂直。
更进一步地，将分割加工后的各个芯材单元片30分别翻转预设角度可包括：
使任意相邻的两个芯材单元片30的翻转方向相反；其中，在沿宽边输出方向Y依次排布的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片中，第二芯材单元片的结构层A与一侧的第一芯材单元片的结构层A沿宽边输出方向Y对齐，第二芯材单元片的功能层B与另一侧的第三芯材单元片的功能层B沿宽边输出方向Y对齐。如图10、图11所示，相邻的两个芯材单元片30的翻转方向相反并拼接在一起时，拼接位置的组合方式为A-A-B-B接触，即相邻两个芯材单元片的拼接位置的两侧均为功能层B或均为结构层A。
或者，将分割加工后的各个芯材单元片30分别翻转预设角度还可包括：
使任意相邻的两个芯材单元片30的翻转方向相同；其中，在沿宽边输出方向Y依次排布的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片中，第二芯材单元片的结构层A与一侧的第一芯材单元片的功能层B沿宽边输出方向Y对齐，第二芯材单元片的功能层B与另一侧的第三芯材单元片的结构层A沿宽边输出方向Y对齐。如图8、图9所示，相邻的两个芯材单元片30的翻转方向相同并拼接在一起时，拼接位置的组合方式为A-B-A-B接触，即相邻两个芯材单元片30的拼接位置的其中一侧为功能层B，另一侧为结构层A。
此外，将多个芯材单元片30沿宽边输出方向Y层叠拼接成单元拼接体100还可包括：
在层叠拼接之前，沿流水线输出方向X移动调整芯材单元片30，使得任意相邻的两个芯材单元片30中，一者的几何形状高点102与另一者的几何形状低点103沿宽边输出方向Y对齐。如图3、图6、图7所示，多个芯材单元片30沿宽边输出方向Y层叠拼接后的单元拼接体100，任意相邻的两个芯材单元片30的其中一者的几何形状高点102与另一者的几何形状低点103沿宽边输出方向Y对齐，由此形成沿流水线输出方向X依次间隔分布且沿垂直于流水平台的垂直方向Z轴向贯通的拼接轴孔101。
其中，需要说明的是，当任意相邻的两个芯材单元片30形状相同且翻转方向相反时，可无需沿流水线输出方向X调整移动芯材单元片30的位置即可使得任意相邻的两个芯材单元片30中的一者的几何形状高点102与另一者的几何形状低点103沿宽边输出方向Y对齐。
在一些具体实施方式中，将多个芯材单元片30沿宽边输出方向Y层叠拼接成单元拼接体100可包括：
在各个芯材单元片30的接触表面涂覆胶接层，并通过胶接层连接相邻的芯材单元片30；或者使任意相邻的芯材单元片30之间的结构层A或功能层B之间以熔融粘接方式相连。
具体地，在将平整片材10加工成芯材单元片30后，可在各个芯材单元片30的拼接接触表面涂覆胶体从而形成胶接层，以将收拢层叠后的芯材单元片30粘结成单元拼接体100。或者，可将收拢层叠后的芯材单元片30通过热熔拼接、超声拼接或红外拼接的熔融粘结方式粘结成单元拼接体100。
进一步地，本发明的第一生产方法还包括：
使得在拼接成型的单元拼接体100中，当平整片材10的片材表面的垂直方向为承受压缩载荷方向时，单元拼接体100的材料体积利用率不低于60％，优选的，材料体积利用率不低于80％；
和/或，在单元拼接体100的平行于平整片材10的片材表面的芯材横截面上，平面空隙率不低于40％，进一步的，平面空隙率不低于60％。
对于上述的第一种生产方法，本发明还提供了一种热塑性复合芯材的生产设备，包括：
热塑材料成型设备1，用于在模内热复合成型具有结构层A和功能层B的平整片材10并沿流水线输出方向X持续输出；
芯材单元片加工成型组件，用于将平整片材10分割加工成沿宽边输出方向Y等宽且沿流水线输出方向X呈带状的多个芯材单元片30，其中至少部分的芯材单元片30的片材表面上加工有沿流水线输出方向X)复呈现的非闭合的几何体104；
单元拼接体拼接组件，用于将多个芯材单元片30沿宽边输出方向Y层叠拼接成单元拼接体100，单元拼接体100包括沿流水线输出方向X依次分布并通过几何体104拼接形成的多个轴孔结构。
其中，如图2、图3所示，热塑材料成型设备1包括上下布置的第一挤出模具1a和第二挤出模具1b以及位于第一挤出模具1a和第二挤出模具1b的成型挤出口的热复合成型段1c。上下布置的第一挤出模具1a和第二挤出模具1b分别挤出具有相容性的功能材料片材和结构材料片材，两种材料通过热复合成型段1c进行模内热复合成型，以直接成型为结构层A复合功能层B的双层片材热复合结构的平整片材10，从而可以直接在流水线上持续输出生产。
此外，芯材单元片加工成型组件可包括切割组件4和几何体成型组件2，切割组件4用于沿流水线输出方向X切割平整片材10或表面已成型加工有几何体104的平整片材10，几何体成型组件2用于在平整片材10或片材单元带20的片材表面加工成型出垂直于片材表面呈***状的几何凸起部，几何体104形成有在片材表面呈非闭合状且沿宽边输出方向Y轴向贯通的几何体第一内孔105。如图3所示，几何体成型组件2采用压辊组件对平整片材10或片材单元带20进行加工成型，本发明不限于此，也可采用板式模具或者链式模具等加工组件。并且根据裁切和几何成型加工的先后顺序的不同，切割组件4和几何体成型组件2在流水线上位置可调换。
进一步地，单元拼接体拼接组件包括：
导向定位组件5，用于将分割加工后的各个芯材单元片30分别翻转预设角度，使得翻转后的芯材单元片长度方向L保持沿流水线输出方向X，芯材单元片宽度方向W与平整片材10的宽边输出方向Y之间形成夹角a；
聚拢组件7，用于沿宽边输出方向Y收拢各个芯材单元片30；
热熔连接组件8，用于加热各个芯材单元片30以熔融粘接成单元拼接体100。
其中，聚拢组件可单独设置，或者也可通过组件收窄的导轨侧壁等结构方式将各个芯材单元片30从两侧向中心收拢。热熔连接组件8可为加热箱、也可为超声焊或红外加热等设备，本发明不限于此。此时，热塑材料成型设备1、芯材单元片加工成型组件、导向定位组件5、聚拢组件7和热熔连接组件8沿流水线输出方向X依次布置。
可选地，热塑性复合芯材的生产设备还可包括：
热塑材料成型设备1，用于在模内热复合成型具有结构层和功能层的平整片材10并沿流水线输出方向X持续输出；
芯材单元片加工成型组件，用于将平整片材10分割加工成沿宽边输出方向Y等宽且沿流水线输出方向X呈带状的多个芯材单元片30，其中至少部分的芯材单元片30的片材表面上加工有沿流水线输出方向X重复呈现的非闭合的几何体104；
胶枪，用于在各个芯材单元片30的接触表面涂覆胶接层；
导向定位组件5，用于将接触表面涂覆胶接层的各个芯材单元片30分别翻转预设角度，使得翻转后的芯材单元片长度方向L保持沿流水线输出方向X，芯材单元片宽度方向W与平整片材10的宽边输出方向Y之间形成夹角a；
单元拼接体拼接组件，用于将多个芯材单元片30沿宽边输出方向Y层叠拼接成单元拼接体100，单元拼接体100包括沿流水线输出方向X依次分布并通过几何体104拼接形成的多个轴孔结构。
与图3所示的生产设备不同的是，该生产设备采用胶枪对芯材单元片30的相互接触位置进行涂胶胶粘以拼接粘接呈单元拼接体100。胶枪可为与几何体成型组件2的压辊组件形状结构相同的辊体胶枪(图中未显示)，压辊组件和辊体胶枪的各自旋转轴线均沿宽边输出方向Y，辊体胶枪的辊体周壁形成有沿周向间隔的凹槽状的棱边涂胶部，压辊组件的辊体周壁形成有沿周向间隔的凸起状的棱边压接部，棱边压接部和棱边涂胶部沿周向相同布置且两者的个数相同。此外，热塑材料成型设备1、芯材单元片加工成型组件、胶枪和单元拼接体拼接组件沿流水线输出方向X依次布置。
以上为根据本发明的热塑性复合芯材的生产方法和生产设备，以下将参见图4～图12，详细述及根据本发明的热塑性复合芯材的结构。
本发明的热塑性复合芯材为蜂窝形芯材，即为图6中所示单元拼接体100，该单元组合100由多个沿第一方向D1延伸且沿第二方向D2层叠拼接的芯材单元片30组成，至少部分的芯材单元片30的片材表面形成有沿芯材单元片长度方向L依次分布且呈非闭合状的几何体104。其中，如图4、图5所示，芯材单元片30为包括结构层A和功能层B的双层片材结构，结构层A为用于形成承受载荷的结构材料，而功能层B则为用于提供各种功能的功能材料。结构层A的结构材料和功能层B的功能材料之间具有相容性，即两者之间产生物理和化学的相容性。如浸润性、反应性和互溶性等。由此，结构层A与功能B在模具内可不通过粘结剂直接热复合成型。在外型上，在本发明的单元拼接体100中形成有至少沿第一方向D1依次分布的多个由几何体104拼接形成轴孔结构，轴孔结构包括轴向沿第三方向D3的拼接轴孔101和围绕拼接轴孔101的周向封闭的轴孔周壁。
进一步地，功能层B可例如为阻燃层、抗紫外层、颜色层、阻热或传热层、透磁或阻磁层、抗菌层、或隔音层中的一种或者多种功能组合层。
其中，可选地，功能层B的材质包括阻燃填料填充聚合物、抗紫外填料填充聚合物、颜料填料填充聚合物、阻热或传热填料填充聚合物、透磁或阻磁填料填充聚合物、抗菌填料填充聚合物、隔音填料填充聚合物中的一种或者多种组合物。
此外，为了保证结构层A具有足够的力学强度，结构层A的片层厚度不小于0.1mm。
此外，可将任意形状的拼接轴孔101的外接圆的直径优选设置为不小于1mm；和/或，可将任意形状的拼接轴孔101的孔轴长与该拼接轴孔101的外接圆的直径之比优选设置为不大于200，以使得芯材获得更佳的重载轻质效果。
相对于传统钢和铝等金属成型材料，热塑性材料具有质量轻、绝缘性好、耐腐蚀、易粘结和焊接等优点。此外，塑料板材可回收利用，便于二次加工，节约资源。其中，结构层A的材质可包括热塑性聚合物、填料填充的热塑性聚合物、纤维增强的热塑性树脂基复合材料、塑性形变纸张和/或钢塑复合物。具体地，热塑性聚合物可为聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、热塑性聚酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚苯醚、热塑性弹性体、多元共聚热塑性塑料、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮和聚酰亚胺中的一种或其中多种的共混物。
此外，填料填充的热塑性聚合物中的填料可为蜡、滑石粉、炭黑、白炭黑、高岭土、碳酸钙、硬脂酸、硬脂酸钙、晶须、二氧化钛、氧化铁、颜料、阻燃剂和抗氧剂中的一种或其中多种的组合物。而纤维增强的热塑性树脂基复合材料中的纤维可为有机纤维、无机纤维、金属纤维、高分子纤维、植物纤维中的一种或多种。具体地，纤维增强的热塑性树脂基复合材料中的纤维可为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、钢丝纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维和麻纤维中的一种或者其中多种的组合物。
在本发明的热塑性复合芯材中，根据芯材单元片30组合拼接的方式不同，可分为两种组合拼接方式。如图10、图11所示的第一种组合拼接方式，任意相邻的两个芯材单元片30的翻转方向相反并依次层叠拼接，此时芯材单元片30之间的拼接位置的组合方式为A-A-B-B接触，即相邻两个芯材单元片的拼接位置的两侧均为功能层B或均为结构层A。换言之，当单元拼接体100至少包括沿第二方向D2依次层叠拼接的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片时，第二芯材单元片的结构层A与一侧的第一芯材单元片的结构层A抵接相连，第二芯材单元片的功能层B与另一侧的第三芯材单元片的功能层B抵接相连。
如图8、图9所示的第二种组合拼接方式，任意相邻的两个片材单元带20的翻转方向相同并依次层叠拼接，此时芯材单元片30之间的拼接位置的组合方式为A-B-A-B接触，即相邻两个芯材单元片30的拼接位置的其中一侧为功能层B，另一侧为结构层A。换言之，当单元拼接体100至少包括沿第二方向D2依次层叠拼接的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片，第二芯材单元片的结构层A与一侧的第一芯材单元片的功能层B抵接相连，第二芯材单元片的功能层B与另一侧的第三芯材单元片的结构层A抵接相连。
在本发明的热塑性复合芯材中，参见图12，芯材单元片30可分为几何芯材单元片32和平整芯材单元片31，几何芯材单元片32表面加工有几何体104，平整芯材单元片31表面未加工有几何体104。其中，如图6、图7所示的单元拼接体100沿第二方向D2层叠拼接的芯材单元片30均相同，每个芯材单元片30的片材表面上形成的几何体104均相同且沿第一方向D1等间隔分布。但本发明不限于此，如图12所示，单元拼接体100沿第二方向D2层叠拼接的几何芯材单元片32可不相同。或者，几何芯材单元片32的片材表面上形成的几何体104可不相同。或者，几何芯材单元片32的片材表面上形成的几何体104沿第一方向非等间隔分布等。
其中，几何体104形成为从几何芯材单元片32的片材表面沿第二方向D2***的几何凸起部，几何凸起部内形成有轴向沿第三方向D3的几何体第一内孔105，该几何体第一内孔105沿第二方向D2呈单侧开口状，几何体第一内孔105的单侧开口端由邻接的芯材单元片30封闭以构成至少部分的拼接轴孔101，其几何内孔中心线OO'沿第三方向D3。此外，相邻的几何体104之间还可形成非封闭的几何体第二内孔106，几何体第一内孔105与几何体第二内孔106的非封闭开口朝向相反。几何体104可为压制成型结构，几何体第一内孔105可为压制成型孔且可为正六边形孔、菱形孔、腰形孔或不规则的异型孔的半分孔等各种形状。
其中，单元拼接体100沿第二方向D2层叠拼接的任意相邻的两个芯材单元片30中至少包括一个几何芯材单元片32。任意相邻的两个芯材单元片30拼接形成的轴孔结构中，每个拼接轴孔101至少包括一个几何体第一内孔105或一个几何体第二内孔106，用于沿周向封闭至少一个几何体第一内孔105或一个几何体第二内孔106的内孔周向闭合结构可为平整壁或包括至少部分的几何体104。如图12所示，拼接轴孔101可包括一个几何体第一内孔105或一个几何体第二内孔106，也可包括多个几何体第一内孔105或多个几何体第二内孔106。内孔周向闭合结构可为平整芯材单元片31的平整片材壁也可为几何芯材单元片32的至少部分的几何体104。
在一些具体实施例中，在每个几何芯材单元片32中，相同的各个几何体104沿第一方向D1等步距分布，由各个几何形状高点102构成的几何形状高点面和由各个几何形状低点103构成的几何形状低点面形成为沿第一方向D1的平行平面。
可选地，如图6、图7所示，单元拼接体100为长方体形状，第一方向D1与第二方向D2垂直且分别为单元拼接体100的两个边长方向，第二方向D2垂直于芯材单元片30的片材表面，第三方向D3为单元拼接体100的厚度方向。此时，拼接轴孔101沿单元拼接体100的厚度方向贯通，即几何内孔中心线OO'沿单元拼接体100的厚度方向。当然，，本发明不限于此，各方向定位可以互换。此外，第一方向D1、第二方向D2与第三方向D3中彼此两两之间也不限于形成直角夹角，也可例如为锐角等。
具体地，单元拼接体100可至少包括沿第二方向D2依次层叠拼接的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片，第二芯材单元片通过几何形状高点102与一侧的第一芯材单元片的几何形状低点103抵接相连，且通过几何形状低点103与另一侧的第三芯材单元片的几何形状高点102抵接相连，从而拼接成整个单元拼接体100。在相邻的芯材单元片中，抵接相连的几何形状高点102与几何形状低点103之间形成为热复合连接的弧面接触、尖端接触或平面接触。其中，如图8、图10所示，抵接相连的几何形状高点102与几何形状低点103之间形成为热复合连接的弧面接触；如图12所示，抵接相连的几何形状高点102与几何形状低点103之间形成为热复合连接的尖端接触或平面接触。
需要说明的是，从图12可见，不同形状结构的几何芯材单元片32进行组合拼接时，并非各个几何形状高点102和几何形状低点103均能对应相接，部分的几何形状高点102或几何形状低点103可呈悬空状。当各个芯材单元片30的形状结构都相同时，只需在沿第一方向D1的两端对齐的多个芯材单元片30的基础上，使得任意相邻的两个芯材单元片30围绕平行于第一方向D1的旋转轴线翻转相反的方向，由此，一个芯材单元片30上的几何体104与反向翻转后的另一芯材单元片30上的几何体104沿第二方向D2对齐并一体连接。其中，反向翻转后的芯材单元片30中，几何形状低点103和几何形状高点102的位置发生互换。当然，也可使得任意相邻的两个芯材单元片30围绕平行于第一方向D1的旋转轴线翻转且翻转方向相同，并沿第一方向D1移动调节以错开一定距离，由此，第一芯材单元片上的第一几何体与相邻的第二芯材单元片上的第二几何体沿第一方向D1依次交替布置并一体连接。基于上述两种排列翻转规则，可对应地形成整个单元拼接体100。
为获得符合要求的能够实现轻质重载的热塑性复合芯材，在图6所示的成型后的单元拼接体100中，可通过设置较多的作为减质孔的拼接轴孔101以实现轻量化。参照图6，在单元拼接体100的由第一方向D1与第二方向D2定义且与单元拼接体100实体相交的任一平面，即单元拼接体100的任一横截面平面中，平面空隙率应不低于40％，进一步的，平面空隙率应不低于60％。在单元拼接体100的上述横截面平面中，平面空隙率即各个拼接轴孔101的孔截面面积总和与横截面平面的总平面面积之比。
在轻量化的同时，为实现重载，除了材料选择，还应提高材料体积利用率，即沿载荷受力方向，能够承受载荷的有效部分与整体部分的质量比或体积比。通俗而言，沿载荷受力方向真实受力部分为承受载荷的有效部分，而垂直于载荷受力方向的材料部分或空洞部分则为承受载荷的无效部分，无效部分的材料体积利用率为0。作为示例，在图6中，当第三方向D3为承受压缩载荷方向时，单元拼接体100的材料体积利用率不低于60％，优选的，材料体积利用率不低于80％。其中，关于材料体积利用率的定义，当材料承受压缩载荷时，沿着载荷方向具备实体材料且实体材料累计高度大于等于95％该方向材料的最高高度部分的材料体积与材料总体积之比即为材料体积利用率。
综上可见，本发明提供了一种热塑性复合芯材及其生产方法和生产设备，本发明的热塑性复合芯材可适应性地将不同的功能材料与结构材料热复合成型为蜂窝形芯材，由此不仅保持了原有结构材料的轻质重载的优点，还能通过与功能性材料结合获得单一组成材料所不能达到的综合性能，如阻燃性能、屏蔽性能、吸音性能等。此外，本发明的热塑性复合芯材的蜂窝壁为结构层复合功能层的双层片材热复合结构，功能层连续分布、功能效果显著，且采用的功能层和结构层相容性好，结合强度高，可应用在对轻质高强要求较高的各个领域中，同时还可针对各个不同领域的特殊要求来增加阻燃功能、防腐功能、隔音功能等，满足了实际应用中的多样化的需求。
与此同时，本发明的生产方法和生产设备解决了传统蜂窝芯材的制造成本高、不可添加功能填料及增强填料、物料浪费的问题，实现了蜂窝芯低成本、可填充等优点以及节约型的生产制造，有效拓展了热塑性复合材料的应用领域。
综上所述，本发明的带有填充材料的较大壁厚的双层结构热塑性复合芯材可应用于对轻质高强要求较高的各个领域中，例如载重越来越大的各种运载车辆中，尤其是重载电力运煤火车，或续航能力不足而需减轻车体的电动物流车等。由此，本发明还提供了一种设备，该设备采用根据本发明上述的热塑性复合芯材。具体地，该设备可为铁路车辆、公路车辆、建筑以及风电、矿用及航空航天领域等等领域中的相关设备或装置。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (21)

1.一种热塑性复合芯材，其特征在于，所述热塑性复合芯材包括多个沿第一方向(D1)延伸的芯材单元片(30)，多个所述芯材单元片(30)沿第二方向(D2)层叠拼接成单元拼接体(100)，所述单元拼接体(100)中形成有至少沿所述第一方向(D1)依次分布的多个轴孔结构，所述轴孔结构包括轴向沿第三方向(D3)的拼接轴孔(101)和围绕所述拼接轴孔(101)的周向封闭的轴孔周壁；
其中，所述芯材单元片(30)为双层片材结构并包括具有相容性的功能层(B)和用于承受载荷的结构层(A)，所述功能层(B)与所述结构层(A)形成热复合连接，所述结构层(A)的片层厚度不小于0.1mm，至少部分的所述芯材单元片(30)的片材表面形成有沿芯材单元片长度方向(L)依次分布且呈非闭合状以用于拼接形成所述轴孔结构的几何体(104)。
2.根据权利要求1所述的热塑性复合芯材，其特征在于，任意形状的所述拼接轴孔(101)的外接圆的直径不小于1mm；和/或，任意形状的所述拼接轴孔(101)的孔轴长与该拼接轴孔(101)的外接圆的直径之比不大于200。
3.根据权利要求1所述的热塑性复合芯材，其特征在于，所述结构层(A)的材质包括热塑性聚合物、填料填充的热塑性聚合物、纤维增强的热塑性树脂基复合材料、塑性形变纸张和/或钢塑复合物。
4.根据权利要求3所述的热塑性复合芯材，其特征在于，所述热塑性聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、热塑性聚酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚苯醚、热塑性弹性体、多元共聚热塑性塑料、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮和聚酰亚胺中的一种或其中多种的共混物。
5.根据权利要求3所述的热塑性复合芯材，其特征在于，填料填充的所述热塑性聚合物中的填料为蜡、滑石粉、炭黑、白炭黑、高岭土、碳酸钙、硬脂酸、硬脂酸钙、晶须、二氧化钛、氧化铁、颜料、阻燃剂和抗氧剂中的一种或其中多种的组合物。
6.根据权利要求3所述的热塑性复合芯材，其特征在于，纤维增强的所述热塑性树脂基复合材料中的纤维为有机纤维、无机纤维、金属纤维、高分子纤维、植物纤维中的一种或多种。
7.根据权利要求3所述的热塑性复合芯材，其特征在于，纤维增强的所述热塑性树脂基复合材料中的纤维为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、钢丝纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维和麻纤维中的一种或者其中多种的组合物。
8.根据权利要求1所述的热塑性复合芯材，其特征在于，所述功能层(B)为阻燃层、抗紫外层、颜色层、阻热或传热层、透磁或阻磁层、抗菌层、或隔音层中的一种或者多种功能组合层。
9.根据权利要求8所述的热塑性复合芯材，其特征在于，所述功能层(B)的材质包括阻燃填料填充聚合物、抗紫外填料填充聚合物、颜料填料填充聚合物、阻热或传热填料填充聚合物、透磁或阻磁填料填充聚合物、抗菌填料填充聚合物、隔音填料填充聚合物中的一种或者多种组合物。
10.根据权利要求1～9中任意一项所述的热塑性复合芯材，其特征在于，所述单元拼接体(100)至少包括沿所述第二方向(D2)依次层叠拼接的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片，所述第二芯材单元片的所述结构层(A)与一侧的所述第一芯材单元片的所述结构层(A)抵接相连，所述第二芯材单元片的所述功能层(B)与另一侧的所述第三芯材单元片的所述功能层(B)抵接相连。
11.根据权利要求1～9中任意一项所述的热塑性复合芯材，其特征在于，所述单元拼接体(100)至少包括沿所述第二方向(D2)依次层叠拼接的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片，所述第二芯材单元片的所述结构层(A)与一侧的所述第一芯材单元片的所述功能层(B)抵接相连，所述第二芯材单元片的所述功能层(B)与另一侧的所述第三芯材单元片的所述结构层(A)抵接相连。
12.根据权利要求1～9中任意一项所述的热塑性复合芯材，其特征在于，所述单元拼接体(100)至少包括沿所述第二方向(D2)依次层叠拼接的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片，所述第二芯材单元片通过几何形状高点(102)与一侧的所述第一芯材单元片的几何形状低点(103)抵接相连，且通过几何形状低点(103)与另一侧的所述第三芯材单元片的几何形状高点(102)抵接相连。
13.根据权利要求12所述的热塑性复合芯材，其特征在于，相邻的所述芯材单元片(30)中，抵接相连的所述几何形状高点与所述几何形状低点之间形成为热复合连接的弧面接触、尖端接触或平面接触。
14.根据权利要求12所述的热塑性复合芯材，其特征在于，所述芯材单元片(30)包括平整芯材单元片(31)和片材表面形成有所述几何体(104)的几何芯材单元片(32)，任意相邻的两个所述芯材单元片(30)中至少包括一个所述几何芯材单元片(32)。
15.根据权利要求14所述的热塑性复合芯材，其特征在于，所述几何体(104)形成为从所述几何芯材单元片(32)的片材表面沿所述第二方向(D2)***的几何凸起部，所述几何凸起部内形成有轴向沿所述第三方向(D3)的几何体第一内孔(105)，该几何体第一内孔(105)沿所述第二方向(D2)呈单侧开口状；
其中，所述几何体第一内孔(105)的单侧开口端由邻接的所述芯材单元片(30)封闭以构成至少部分的所述拼接轴孔(101)。
16.根据权利要求15所述的热塑性复合芯材，其特征在于，所述几何体(104)为压制成型结构，所述几何体第一内孔(105)为压制成型孔且为正六边形孔、菱形孔、腰形孔或不规则的异型孔的半分孔。
17.根据权利要求14所述的热塑性复合芯材，其特征在于，在每个所述几何芯材单元片(32)中，相同的各个所述几何体(104)沿所述第一方向(D1)等步距分布，由各个所述几何形状高点(102)构成的几何形状高点面和由各个所述几何形状低点(103)构成的几何形状低点面形成为沿所述第一方向(D1)的平行平面。
18.根据权利要求1所述的热塑性复合芯材，其特征在于，所述单元拼接体(100)为长方体形状，所述第一方向(D1)与所述第二方向(D2)垂直且分别为所述单元拼接体(100)的两个边长方向，所述第二方向(D2)垂直于所述芯材单元片(30)的片材表面，所述第三方向(D3)为所述单元拼接体(100)的厚度方向。
19.根据权利要求1所述的热塑性复合芯材，其特征在于，当所述第三方向(D3)为承受压缩载荷方向时，所述单元拼接体(100)的材料体积利用率不低于60％，优选的，材料体积利用率不低于80％；
和/或，在由所述第一方向(D1)与所述第二方向(D2)定义且与所述单元拼接体(100)实体相交的任一平面中，平面空隙率不低于40％，进一步的，所述平面空隙率不低于60％。
20.一种包括根据权利要求1～19中任意一项所述的热塑性复合芯材的设备。
21.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，所述设备为车辆、建筑、风电设备、矿用设备或航空航天设备。
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