CN112223804B - 一种层合复合材料蜂窝的成型制备方法 - Google Patents

Abstract

一种层合复合材料蜂窝的成型制备方法，它涉及材料领域，本发明要解决目前层合复合材料蜂窝成型质量不高，结构尺寸可设计性不强，无法脱离人工操作的问题，本发明采用高性能单向复合材料预浸料和延展性良好的金属箔材料合理结合共固化，然后拉伸成型。该方法制备出的复合材料蜂窝成型质量较高，结构尺寸可设计性强，制备方法简单易行，可脱离人工操作，机器独立完成制备，具备完全自动化生产条件。本发明应用于复合材料蜂窝结构制备领域。

Description

一种层合复合材料蜂窝的成型制备方法

技术领域

本发明涉及材料领域，具体涉及一种层合复合材料蜂窝的成型制备方法。

背景技术

受到自然蜂巢结构的启发，人类制造出了蜂窝结构。蜂窝结构在拓扑构型方面，具有非常大的优势，内部空间大，承载结构占比率低等，是一种轻质高承载结构。但是蜂窝结构面内以及弯曲力学性能较差，为了改善这一方面性能，通常把蜂窝和面板结合起来，做成蜂窝夹芯结构。在保持原来轴向承载能力不变的基础上，整体结构的面内压缩、抗弯、抗扭、抗剪等力学性能获得了极大的提升。

随着材料技术的不断发展，新材料特别是复合材料的出现，大幅提升了蜂窝结构的力学性能。传统金属材料做成的蜂窝结构主要有铝蜂窝、不锈钢蜂窝、铜蜂窝、镍合金蜂窝等。复合材料蜂窝结构主要有芳纶蜂窝、玻璃纤维蜂窝和碳纤维蜂窝等，其中芳纶蜂窝因具有轻质、易成型、成本低等优点，已在航空航天器领域得到了广泛应用，但其力学性能不强；碳纤维等高性能复合材料蜂窝结构因具有轻质、高强度和高刚度等优异力学性能，有望可以应用在更多的领域，发挥更大的作用。并且相比于由编织复合材料制备而成的蜂窝结构，层合复合材料由于其压缩性能更加优异，材料更薄，所以制备而成的蜂窝结构单胞壁更薄，结构密度更低，同时面外压缩强度更高，力学性能更加优异。但是碍于现有的制备工艺限制，碳纤维等高性能层合复合材料蜂窝结构存在生产效率不高以及成品质量不佳等问题，限制了其在工程中的应用。

目前蜂窝结构批量化的制备方法主要有以下三种：

(1)针对于低密度并且蜂窝母材具有一定韧性的蜂窝结构，例如：低密度的铝蜂窝结构，一般是在金属箔表面涂抹粘接剂，把许多裁剪好的金属箔叠加放置，待粘接剂固化完成以后，在两段***数个销子，最后使用机器拉伸销子，直接制备出蜂窝结构。优点是制备效率高，缺点是只可以制备出低密度的蜂窝结构，并且每个单胞的形状难以保证，质量不统一。

(2)针对于高密度并且蜂窝母材具有一定韧性的蜂窝结构，例如：高密度的铝蜂窝结构，一般是采用先冲压，后粘接的方法成型:先使用机器把金属折叠成波纹板形状，一般是冲压方法，然后在把波纹板表面涂抹粘接剂，最后把波纹板对扣形成蜂窝构型。优点是可以制备高密度的蜂窝结构，产品质量较高，缺点是效率比较慢，整个制备周期较长，成本较高。

(3)针对于韧性较差的蜂窝母材，例如芳纶蜂窝，其母材韧性较差并且难以冲压成型，一般是先把未浸润树脂的纤维材料裁剪成需要的尺寸，然后在材料表面涂抹粘接剂，待固化后使用机器拉伸预成型，最后放入树脂浸润、固化，最后定型。优点是可以使韧性较差的复合材料制备出蜂窝结构，缺点是效率较慢，整个制备周期较长，并且制备工艺比较复杂，带来成本的上升。

通过阐述，我们可以得知以上工业制备蜂窝结构的方法均不适用新型层合复合材料的批量制造，首先层合复合材料不具有韧性，直接拉伸或者冲压成型很容易导致复合材料破裂，失去承载能力，其次先拉伸再浸润树脂的方法，对复合材料的整体性能会产生很大影响，通过后期浸润树脂且无压力固化的方法很难充分发挥层合复合材料的力学性能。

复合材料蜂窝结构的制备工艺还有：3D打印法，树脂传递模塑成型法，嵌锁制备工艺等，但是这些方法因为制备成本较高，都不适合在工程中大批量生产以及使用。因此，目前的层合复合材料蜂窝结构亟需一种新的技术成熟、质量可靠、可批量制造且成本较低的制备方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前层合复合材料蜂窝成型质量不高，结构尺寸可设计性不强，无法脱离人工操作的问题，提出一种质量可靠、性能更优的层合复合材料蜂窝制备方法，即采用高性能单向复合材料预浸料和延展性良好的金属箔材料合理结合共固化，然后拉伸成型。该方法制备出的层合复合材料蜂窝成型质量较高，结构尺寸可设计性强，制备方法简单易行，可脱离人工操作，机器独立完成制备，具备完全自动化生产条件。

本发明的一种层合复合材料蜂窝的成型制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

1)材料的预处理：

对金属箔材料的表面处理，去除其表面的污渍与氧化物薄膜；

2)材料的切割与排布：

按照所设计尺寸将上一步处理的金属箔材料和预浸料进行裁剪，按照预浸料/金属箔/预浸料的顺序铺设成单层板；

3)多层板的制备：在单层板表面铺设条状的隔离层，按照预先铺设方案将多个单层板铺放在一起，形成多层板；

4)多层板固化：在铺设好的多层板上下放置两块钢板，采用热压罐或者真空辅助成型工艺固化多层板；

5)多层板的固定：待多层板固化完成后，去掉两边的钢板，将多层板置于复合材料蜂窝拉伸成型装置上；

所述的复合材料蜂窝拉伸成型装置由两个圆柱体和分别套设在圆柱体上的多个板；所述的板的一侧壁分别与多层板上下两侧的隔离层对应设置，且板的厚度与隔离层的宽度一致，侧壁长度大于等于隔离层的长度，圆柱体的直径D2为板顶部宽度D1的0.3-0.7；

6)多层板的拉伸：使用机器直接拉伸两个圆柱体的两端，对多层板拉伸，拉伸成型后得到所述的复合材料蜂窝结构。

步骤3)中按照预先设计的方案指如果预先设计的蜂窝单胞，非粘接的单胞壁宽为h1，粘接的单胞壁宽为h2，则隔离层的宽度应为h2+2×h1，间隔h2排布。

进一步地，所述的金属箔材料为铝合金箔材。

进一步地，所述的金属箔材料为铝合金箔材，采用磷酸阳极化方法处理其表面。

进一步地，步骤2)中金属箔层的厚度小于30微米。

进一步地，步骤3)中单层板表面铺设条状的隔离层，相邻的单层板对扣放置，两层单层板之间只需要一层隔离层。

对扣放置是为了防止下面情况出现：如果单层板是非对称铺层，两个非对称铺层的单层板正常铺设的话可能整体就是非对称铺层，导致粘接部分出现弯曲现象，影响结构性能，所以采用对扣铺层避免上述情况发生。

进一步地，步骤4)中所述的采用热压罐成型工艺固化多层板，是通过如下方式进行的：先将多层板四周裹一层透气毡，放入到密封袋内，抽真空后放入到热压罐内进行热压；热压参数为：80℃时保温30分钟，压力增加至0.1MPa；130℃时保温90分钟，压力增加至0.3MPa，然后降温至室温，压力释放，固化过程完成。

进一步地，步骤4)中所述的采用真空辅助成型工艺固化多层板，是通过如下方式进行的：先将多层板四周裹一层透气毡，放入到密封袋内，抽真空后把多层板放入到烘箱内或者加热台表面进行加热，加热参数为：80℃时保温30分钟，130℃时保温90分钟，然后降温至室温，压力释放，固化过程完成。

对于结构成型质量而言，热压罐成型工艺优于真空辅助成型技术，但是由于没有热压罐的限制，真空辅助成型技术的成品体积不受限，制备过程更加方便。

进一步地，圆柱体和板采用弹性模量相对大的材料制成。

进一步地，所述的制备材料为钢合金或钛合金。

进一步地，使用机器直接拉伸两个圆柱体的两端，并保证拉伸力一致，所述的圆柱体的材质为不锈钢。

本发明包含以下有益效果：

与目前常见的蜂窝结构的面外压缩强度对比。采用本发明的方案，在相同密度情况下，碳/铝蜂窝强度是其他蜂窝强度的2-3倍。证明本发明通过简单的制备工艺，可以得到相同密度情况下强度更高，或者相同强度情况下密度更低的蜂窝结构，未来应用前景广阔。

附图说明

图1为单层板铺层以及厚度说明图；

图2为多层板铺设以及中间隔离层说明图；

图3为本发明复合材料蜂窝拉伸成型装置结构示意图；

图4为实施例蜂窝结构的的面外压缩强度对比图；其中，A是铝蜂窝，B是碳纤维编织蜂窝，C是酚醛树脂蜂窝，D是石英蜂窝，E是玻璃纤维蜂窝，F是“纸”蜂窝，G是实施例制备得到的蜂窝结构。

具体实施方式

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例

本实施例一种层合复合材料蜂窝的成型制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)材料的预处理：对金属箔材料的表面处理，去除其表面的污渍与氧化物薄膜，增加表面粗糙度，扩大表面接触面积，增加表面极性，提高表面的粘接强度。

所选择的金属箔材料为铝合金箔材，采用磷酸阳极化方法处理其表面，提高其与复合材料的结合强度。通过上述操作提升延展性金属箔材料与复合材料的结合强度，避免后续拉伸时材料之间分层现象的出现。

(2)材料的切割与排布规律：按照事先设计好的尺寸，把复合材料预浸料与金属箔材料裁剪好，按照预浸料/金属箔/预浸料的顺序铺设成单层板。金属箔层的厚度小于30微米，金属材料太厚容易导致结构整体性能不佳，实际应用效果较差，并且金属材料太厚，不易进入到塑性阶段，无法起到定型的作用。所述的预浸料为碳纤维。

(3)多层板的制备：按照预先设计的方案，在单层板表面铺设条状的隔离层，厚度越薄越好，可以减少对单层板固化时的影响；长度略长于单层板宽度即可，防止在固化时，树脂外溢导致单层板全部站在一起；宽度按照预先设计的尺寸裁好即可，最后把多个单层板叠放在一起即可。预先设计的单胞单层壁宽为h1，双层壁宽为h2，则隔离层的宽度应为h2+2×h1，间隔h2排布；第一层单层板与第二层单层板应该对扣放置，如图2所示。

(4)多层板固化：在铺设好的多层板上下放置两块钢板，采用热压罐成型工艺固化多层板。即先周围裹一层透气毡，放入到密封袋里面，抽真空最后放入到热压罐里面。热压罐参数为：罐内温度与压力线性增加，80°时保温30分钟，压力增加为0.1MPa；130°时保温90分钟，压力增加为0.3MPa，然后降温至室温，压力释放，固化过程完成。

或者采用真空辅助成型技术，在上述步骤抽完真空以后，把多层板放入到烘箱内或者加热台表面进行加热，加热参数为：80℃时保温30分钟，130℃时保温90分钟，然后降温至室温，压力释放，固化过程完成。热压罐成型质量优于负压成型技术的质量，但是热压罐成型技术有体积限制(多层板的体积取决于热压罐体积)，而真空辅助成型技术对多层板体积限制较小，制备过程更加方便，成本更低。

(5)多层板的固定：待多层板固化完成后，从密封袋中取出，去掉两边的钢板，将多层板放置在复合材料蜂窝拉伸成型装置内，如图3所示：圆柱体1与板2推荐弹性模量较大的材料制备而成，板2与多层板侧面粘接，位置与隔离层对应，厚度与隔离层宽度保持一致为h2，长度可以比多层板的宽度大一些，或者相等；板2中间有孔洞，尺寸与圆柱体1一致。孔洞形状推荐为圆形，方便板2在圆柱体1表面滑移，并且消除在拉伸过程中板2的应力集中问题。圆柱体1的直径尺寸D2推荐为部件1尺寸D1的0.3-0.7，D1太小不好，容易导致在拉伸过程中，板2的过度弯曲，影响拉伸质量，甚至拉断；D1太大导致钢块的有效承载面积变小，容易产生大变形。

(6)多层板的拉伸：使用机器直接拉伸圆柱体1的两端，使蜂窝结构拉伸开来，拉伸速度尽量保持一致并且较慢，太快容易使上层蜂窝拉伸剧烈，导致层合板之间分层。由于部分金属材料存在一定的回弹特性，所以在拉伸过程中，需要考虑回弹角度，即实际拉伸角度要比设计角度大一些。

图4为通过本实施例制备的复合材料蜂窝结构(以碳/铝蜂窝为例)，与目前常见的蜂窝结构的面外压缩强度对比。观察图可知，在相同密度情况下，碳/铝蜂窝强度是其他蜂窝强度的2-3倍。证明本实施例通过简单的制备工艺，可以得到相同密度情况下强度更高，或者相同强度情况下密度更低的蜂窝结构，未来应用前景广阔。

Claims (5)

1.一种层合复合材料蜂窝的成型制备方法，其特征在于所述制备方法包括如下步骤：

1)材料的预处理：

对金属箔材料的表面处理，去除其表面的污渍与氧化物薄膜；

2)材料的切割与排布：

按照所设计尺寸将上一步处理的金属箔材料和预浸料进行裁剪，按照预浸料/金属箔/预浸料的顺序铺设成单层板；

3)多层板的制备：在单层板表面铺设条状的隔离层，按照预先铺设方案将多个单层板铺放在一起，形成多层板；

4)多层板固化：在铺设好的多层板上下放置两块钢板，采用热压罐或者真空辅助成型工艺固化多层板；

5)多层板的固定：待多层板固化完成后，去掉两边的钢板，将多层板置于复合材料蜂窝拉伸成型装置上；

所述的复合材料蜂窝拉伸成型装置由两个圆柱体(1)和分别套设在圆柱体(1)上的多个板(2)；所述的板(2)的一侧壁分别与多层板上下两侧的隔离层对应设置，且板(2)的厚度与隔离层的宽度一致，侧壁长度大于等于隔离层的长度，圆柱体(1)的直径D2为板(2)顶部宽度D1的0.3-0.7；

6)多层板的拉伸：使用机器直接拉伸两个圆柱体(1)的两端，对多层板拉伸，拉伸成型后得到所述的复合材料蜂窝结构；所述的金属箔材料为铝合金箔材，采用磷酸阳极化方法处理其表面；步骤2)中金属箔层的厚度小于30微米；步骤3)中单层板表面铺设条状的隔离层，相邻的单层板对扣放置，两层单层板之间只需要一层隔离层。

2.根据权利要求1所述的一种层合复合材料蜂窝的成型制备方法，其特征在于所述的隔离层厚度为0.005-0.02mm，长度长于单层板的宽度。

3.根据权利要求1所述的一种层合复合材料蜂窝的成型制备方法，其特征在于步骤4)中所述的采用热压罐成型工艺固化多层板，是通过如下方式进行的：先将多层板四周裹一层透气毡，放入到密封袋内，抽真空后放入到热压罐内进行热压；热压参数为：80℃时保温30分钟，压力增加至0.1MPa；130℃时保温90分钟，压力增加至0.3MPa，然后降温至室温，压力释放，固化过程完成。

4.根据权利要求1所述的一种层合复合材料蜂窝的成型制备方法，其特征在于步骤4)中所述的采用真空辅助成型工艺固化多层板，是通过如下方式进行的：先将多层板四周裹一层透气毡，放入到密封袋内，抽真空后把多层板放入到烘箱内或者加热台表面进行加热，加热参数为：80℃时保温30分钟，130℃时保温90分钟，然后降温至室温，压力释放，固化过程完成。

5.根据权利要求1所述的一种层合复合材料蜂窝的成型制备方法，其特征在于使用机器直接拉伸两个圆柱体(1)的两端，并保证拉伸力一致，所述的圆柱体(1)的材质为不锈钢。

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