CN113211904B - 一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材及其制备方法，包括上外板、纤维芯层、若干波纹筋板及下外板；上外板与下外板间隔平行设置，若干波纹筋板平行排布在上外板与下外板之间；相邻波纹筋板之间形成纤维填充区，纤维芯层充填在纤维填充区中；其中，纤维芯层中的纤维丝按同一预设方向均匀排布；本发明利用波纹筋板将上外板与下外板之间形成纤维填充区；通过充填纤维芯层，纤维芯层密度低且强度高，有效减轻板材质量；纤维丝沿其长度方向的拉伸模量最高，通过控制纤维丝的取向排布，实现对板材不同区域力学性能的调控；制作过程采用将纤维树脂混合液体注射至纤维填充区中，无需制作模具及拆模，实现一次性成型，制作过程简单。

Description

一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材及其制备方法
技术领域
本发明属于混合结构板材技术领域，特别涉及一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材及其制备方法。
背景技术
由于混合结构板材具有可设计性强等特点，广泛用于各种机械制造领域；板材不仅可以直接作为机械装备的关键部件，还可通过加工制作成机械装备的梁等关键受载部件。板材是机械加工型材的基础，其性能影响着机械装备部件的性能；因此，提高板材的基础性能显得尤为重要。现有的混合结构板材大多为金属/泡沫混合、金属/橡胶混合、金属/复合材料混合，大部分的混合结构板材主要向金属空心结构填充轻质材料，从而达到减重和降低成本的目的，但该种结构强度及刚度有所减轻。
目前，有文献在内部采用加强结构以改善混合结构的力学特性，如关于空心叶片的专利申请(公开号为：US006979180B2)，采用内部加强桁条结构，使用扩散焊和超塑性成形技术，达到增强强度和减重的目的；中国专利申请：一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片(公开号为：CN101649844A)，其采用中空结构金属/复合材料构架组成的空间离散肋骨结构用以填充空心结构，通过对结构中肋骨空间分布和形位的控制，提高混合结构的比强度和刚度；但上述的混合结构虽然降低了其质量，达到了轻量化的目的，但其强度与刚度仍与纯金属结构无法匹敌，甚至有时并不能达到机械工作的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材及其制备方法，以解决现有的混合结构板材大多采用向金属空心结构充填轻质材料，其强度和刚度削弱较为严重，无法达到机械工作要求。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材，包括上外板、纤维芯层、若干波纹筋板及下外板；上外板与下外板间隔平行设置，若干波纹筋板平行排布在上外板与下外板之间；相邻波纹筋板之间形成纤维填充区，纤维芯层充填在纤维填充区中；其中，纤维芯层中的纤维丝按同一预设方向均匀排布。
进一步的，波纹筋板采用半圆形波纹筋板；波纹筋板的一端与下外板焊接固定，另一端与上外板粘接固定。
进一步的，纤维芯层采用碳纤维芯层，碳纤维芯层中的纤维丝与上外板或下外板长度方向之间的夹角为0°-90°。
进一步的，上外板及下外板的材质均为结构钢；波纹筋板采用结构钢弯曲形成。
进一步的，波纹筋板的高度与纤维芯层的厚度相同，且均为混合结构板材厚度的3/5。
本发明还提供了一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、按设计尺寸要求，加工上外板、波纹筋板及下外板；
步骤2、将波纹筋板均匀排布在上外板与下外板之间，相邻波纹筋板之间形成若干纤维填充区，得到金属型腔；
步骤3、在金属型腔的纤维填充区内注射纤维树脂混合液；
步骤4、在注射有纤维树脂混合液的金属型腔的外侧施加磁场作用，在磁场作用下，使纤维树脂混合液中的纤维丝按同一预设方向均匀排布；之后，纤维树脂混合液固化成型，得到纤维芯层，即所述波纹加筋金属/纤维混合结构板材制作完成。
进一步的，纤维树脂混合液的制备过程如下：
对纤维丝原料进行剪切，得到预设尺寸的等长纤维丝；
在惰性气体的作用下，将预设尺寸的等长纤维丝通入至导电液体中，得到包裹导电液体的纤维丝；
将包裹导电液体的纤维丝与树脂混合，得到所述的纤维树脂混合液。
进一步的，对纤维丝原料进行剪切过程，利用纤维切断设备对纤维丝原料进行剪切。
进一步的，采用二自由度磁场发生装置对注射有纤维树脂混合液的金属型腔施加磁场作用；其中，二自由度磁场发生装置包括外支架、内支架、内支架铰链、外支架铰链、第一电磁发生器及第二电磁发生器；
外支架的竖直方向两端对称设置有外支架铰链，外支架能够沿两个外支架铰链的连线水平转动；外支架的水平方向两端对称设置有内支架铰链，内支架的水平两端通过内支架铰链与外支架连接，内支架能够沿两个内支架铰链的连线竖向翻转；第一电磁发生器设置在内支架的上端，第二电磁发生器设置在内支架的底端，第一电磁发生器与第二电磁发生器产生的磁极不同；注射有纤维树脂混合液的金属型腔水平设置在内支架中。
进一步的，纤维树脂混合液中，包裹导电液体的等长纤维丝的体积分数为0.5％-3％；导电液体采用石墨基导电胶。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材及其制作方法，通过在上外板与下外板之间均匀排布波纹筋板，利用波纹筋板将上外板与下外板之间形成纤维填充区；通过在纤维填充区充填纤维芯层，纤维芯层具有密度低，强度高的特点，在保证结构板材强度与刚度不降低的前提下，有效减轻板材质量；纤维丝沿其长度方向的拉伸模量最高，将纤维芯层中的纤维丝按同一预设方向均匀排布，通过控制纤维丝的取向排布，实现对板材不同区域力学性能的调控；制作过程采用将纤维树脂混合液体注射至纤维填充区中，通过施加磁场对纤维丝的取向和排布进行调节，无需制作模具及拆模，实现一次性成型，制作过程简单。
进一步的，波纹筋板采用半圆形波纹筋板，消除了筋板几何突变，减弱了筋板棱角处应力集中而导致的损伤，有效提高筋板结构的抗屈曲能力；同时，在制备过程中确保了纤维树脂混合液体在纤维填充区的顺畅流动，有利于纤维芯层的成型，避免了纤维芯层在制备过程中棱角处出现富脂、贫脂或纤维切断的现象。
进一步的，采用将等长纤维丝加入至导电液体中，在纤维丝的表面包裹导电液体，便于利用磁场对纤维树脂混合液中的纤维丝进行控制，确保纤维丝均匀分布在纤维芯层中。
进一步的，采用二自由度磁场发生装置对注射有纤维树脂混合液的金属型腔施加磁场作用，通过调节内外支架的转动，实现对施加磁场方向的调节，进而实现对纤维芯层中纤维丝空间中取向调控；通过调节第一电磁发生器和第二电磁发生器，对磁场大小的控制，实现对纤维芯层中纤维系空间分布的排布调控。
进一步的，导电液体石墨基导电胶，导电液体与树脂互不相容，确保了磁场调节纤维丝取向及排布的有效性。
附图说明
图1为实施例中的混合结构板材的整体结构示意图；
图2为实施例中的混合结构板材的断面结构示意图；
图3为实施例中的混合结构板材中的内部结构示意图；
图4为实施例中的混合结构板材中的波纹筋板结构示意图；
图5为实施例中的混合结构板材中的纤维芯层结构示意图；
图6为实施例中的混合结构板材中的磁场控制纤维丝取向示意图；
图7为实施例中的混合结构板材中的纤维填充区结构示意图；
图8为实施例中的混合结构板材的制备流程示意图；
图9为实施例中的二自由度磁场发生装置结构示意图。
其中，1上外板，2纤维芯层，3波纹筋板，4下外板，5磁场发生装置，6注射分流管；501外支架，502内支架，503内支架铰链，504外支架铰链，505第一电磁发生器，506第二电磁发生器。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材，包括上外板1、纤维芯层2、若干波纹筋板3及下外板4；上外板1与下外板4间隔平行设置，若干波纹筋板3平行排布在上外板1与下外板4之间；相邻波纹筋板3之间形成纤维填充区，纤维芯层2充填在纤维填充区中；其中，纤维芯层2中的纤维丝均匀排布在上外板1与下外板4之间，纤维芯层2中的纤维丝按同一预设方向均匀排布，且所有纤维丝取向相同。
本发明中，上外板1与下外板4的材质均为结构钢，波纹筋板3采用结构钢弯曲形成；结构钢的密度为7850kg/m3，纤维芯层2采用碳纤维芯层；优选的，采用沿结构板材的长度方向，额外焊接一条与结构板材长度箱体的波纹筋板，作为加强板，且加强板与波纹筋板3正交设置；波纹筋板3平行排布，波纹筋板3的一端与下外板4焊接固定，另一端与上外板粘结固定；优选的，波纹筋板3采用半圆形波纹筋板。
本发明所述的波纹加筋金属/纤维混合结构板材，所述混合结构板材的厚度尺寸按照市场要求的板材厚度进行制作，并采用上外板1、纤维芯层2、波纹筋板3及下外板4粘接而成；波纹筋板3的厚度为上外板1或下外板4的厚度的1/2，波纹筋板3的高度为所述混合结构板材厚度尺寸的3/5，所有波纹筋板3相互平行；纤维芯层2的厚度为所述混合结构板材厚度尺寸的3/5，且呈波纹条状设置。
本发明还提供了一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、按设计尺寸要求，加工上外板1、波纹筋板3及下外板4。
步骤2、将波纹筋板3均匀固定在上外板1与下外板4之间，在上外板1与下外板4之间形成若干纤维填充区，得到金属型腔。
步骤3、在金属型腔的纤维填充区内注射纤维树脂混合液；其中，纤维树脂混合液的制备过程具体如下：
步骤31、利用纤维切断设备对纤维丝原料进行剪切，得到预设尺寸的等长纤维丝；其中，纤维丝原料为碳纤维。
步骤32、在高压惰性气体的作用下，将预设尺寸的等长纤维丝通入至导电液体中，得到包裹导电液体的纤维丝；其中，导电液体采用石墨基导电胶；优选的，石墨基导电胶的型号为JHE-01。
步骤33、将包裹导电液体的纤维丝与树脂，按照包裹导电液体的纤维丝的体积分数为0.5％-3％的比例放入混合罐中进行混合，得到所述的纤维树脂混合液。
步骤4、采用二自由度磁场发生装置，在注射有纤维树脂混合液的金属型腔的外侧施加磁场作用，在磁场的作用下，使纤维树脂混合液中的等长纤维丝均匀排布在上外板1与下外板4之间，等长纤维丝按同一预设方向均匀排布，且所有纤维丝取向相同；纤维树脂混合液固化成型后，得到纤维芯层2，即所述波纹加筋金属/纤维混合结构板材制作完成；本发明中，利用二自由度磁场发生装置产生的二自由度磁场可使纤维树脂混合液中的等长纤维丝与上外板1或下外板3平行，也可使纤维树脂混合液中的等长纤维丝在板材厚度方向排布，且沿同一方向均匀排布。
本发明中，二自由度磁场发生装置5包括外支架501、内支架502、内支架铰链503、外支架铰链504、第一电磁发生器505及第二电磁发生器506；外支架501的竖直方向两端对称设置有外支架铰链504，外支架501能够沿两个外支架铰链504的连线水平转动；外支架501的水平方向两端对称设置有内支架铰链503，内支架502的水平两端通过内支架铰链503与外支架501连接，内支架502能够沿两个内支架铰链503的连线竖向翻转；第一电磁发生器505设置在内支架502的上端，第二电磁发生器506设置在内支架502的底端，第一电磁发生器505与第二电磁发生器506产生的磁极不同；注射有纤维树脂混合液的金属型腔水平设置在内支架502中。
本发明所述的混合结构板材的制作方法，采用在纤维丝切断装置中通以高压惰性气体，利用纤维切断装置对纤维丝原料进行切割，得到预设尺寸的等长纤维丝；等长纤维丝跟随高压惰性气体进入导电液体中，使等长纤维丝具有导电性；将包裹有导电液体的纤维丝与树脂置于混合罐中搅拌混合，待包裹有导电液体的纤维与树脂混合均匀后，得到纤维树脂混合液；之后，将纤维树脂混合液注射到纤维填充区中，采用二自由度磁场发生装置在金属型腔的外侧施加磁场，根据所需的结构板材性能，控制电磁场的磁场强度及方向，以控制纤维丝的取向排布；待纤维树脂混合液固化成型后，得到纤维芯层，即得到波纹加筋金属/纤维混合结构板材。
本发明所述的波纹加筋金属/纤维混合结构板材及其制作方法，通过液态法将纤维树脂混合液注射到金属型腔的纤维填充区中，无需采用模具及拆模，一次成型；纤维树脂混合液具有良好的结合界面，有效提高了材料的力学性能；波纹筋板与下外板之间采用焊接，其余连接方式均为功能性胶粘剂粘接，制备过程简单，可操作性强，满足批量化生产要求。
本发明所述的混合结构板材，具有密度低，比强度高的优点；较同等尺寸的结构，在保证其强度与刚度不降低的前提下，质量减轻了一半；利用磁场控制纤维丝的取向排布，可根据不同的工况优化其等长纤维丝的取向排布；波纹筋板采用半圆形波纹筋板，其设计消除了筋板几何突变的问题，减弱了筋板棱角处应力集中而导致的损伤萌生，有助于提高筋板结构的抗屈曲能力，可以使得在制备过程中短纤维树脂混合液体在金属型腔内流动顺畅，有利于纤维芯层的成形，且可避免碳纤维芯层在制备过程中棱角处出现富脂贫脂以及纤维切断的现象。
实施例
以下以制作厚度为50mm，50x3000的混合结构板材为例。
如附图1-7所示，本实施例提供了一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材，包括上外板1、纤维芯层2、波纹筋板3及下外板4；上外板1与下外板4间隔平行设置，若干波纹筋板3平行排布在上外板1与下外板4之间；其中，波纹筋板3的下端与下外板4焊接固定，波纹筋板3的上端与上外板1粘接固定；相邻波纹筋板3之间形成纤维填充区，纤维芯层2充填在纤维填充区中；纤维芯层2中的纤维丝排布在上外板1与下外板4之间，且所有纤维丝取向相同。
本实施例中，上外板1与下外板4的厚度均为8mm；波纹筋板3的厚度为4m，高度为34mm；纤维芯层2的厚度为34mm，纤维芯层2的宽度为相邻两个波纹筋板之间的距离；纤维芯层2采用液体注射成型，并通过二自由度磁场发生装置控制其纤维丝取向排布；例如：通过二自由度磁场发生撞，控制等长纤维丝均匀排布，纤维丝与上外板1或下外板4长度方向之间的夹角为45°。
上外板1与下外板3作为混合结构板材的外表面，利用所述的混合结构板材制成机械装备的零部件后，作为机械装备的安装表面和承受荷载，是机械装备零部件强度的主要贡献者；本实施例中，上外板1与下外板4采用1045钢冷拔而成，其密度为7850kg/m3，弹性模量为2.05×1011N/m2；纤维芯层2充填在上外板1与下外板4之间的空隙中，且位于相邻两个波纹筋板3之间；纤维芯层2的上下表面分别与上外板1及下外板4贴合，两侧的波纹状表面分别与波纹筋板3贴合；纤维芯层2的六个表面中，有四个表面都与金属表面紧紧贴合；在制备过程，采用液体注射法一次成型，且通过二自由度磁场发生装置5控制纤维芯层2中的纤维丝的取向排布；波纹筋板3由结构钢弯曲而成，为半圆形波纹筋板，并采用平行排布；优选的，沿板材长度方向额外焊接一条与板材同样长度的波纹筋板，与其余的波纹筋板正交。
如附图8所示，所述混合结构板材的制作方法，具体如下：
步骤1、按设计尺寸要求，加工上外板1、波纹筋板3及下外板4。
步骤2、将波纹筋板3均匀固定在上外板1与下外板4之间，在上外板1与下外板4之间形成若干纤维填充区，得到金属型腔。
步骤3、利用注射分流管6，向金属型腔的纤维填充区内注射纤维树脂混合液；其中，纤维树脂混合液的制备过程具体如下：
步骤31、利用纤维切断设备对纤维丝进行剪切，得到预设尺寸的等长纤维丝；其中，纤维丝原料为碳纤维。
步骤32、在高压惰性气体的作用下，将预设尺寸的等长纤维丝通入至导电液体中，得到包裹导电液体的等长纤维丝；其中，导电液体采用JHE-01型石墨基导电胶。
步骤33、将包裹导电液体的等长纤维丝与树脂，按照体积分数为0.5％-3％的比例将包裹导电液体的等长纤维丝放入混合罐中进行混合，得到所述的纤维树脂混合液；其中，树脂盛装在树脂储存容器中，树脂储存容器上设置有调节阀，通过调节阀控制加入树脂的体积。
本实施例中，注射分流管6的一端与装有纤维树脂混合液的混合罐的出口连接，另一端分若干路输出；其中每一路输出连接至对应的纤维填充区中。
步骤4、采用二自由度磁场发生装置，在注射有纤维树脂混合液的金属型腔的外侧施加磁场作用，使纤维树脂混合液中的等长纤维丝在上外板1或下外板3之间沿同一方向均匀排布；纤维树脂混合液固化成型，得到纤维芯层2，即所述波纹加筋金属/纤维混合结构板材制作完成。
如附图9所示，本实施例中，二自由度磁场发生装置5包括包括外支架501、内支架502、内支架铰链503、外支架铰链504、第一电磁发生器505及第二电磁发生器506；外支架501的竖直方向两端对称设置有外支架铰链504，外支架501能够沿两个外支架铰链504的连线水平转动；外支架501的水平方向两端对称设置有内支架铰链503，内支架502的水平两端通过内支架铰链503与外支架501连接，内支架502能够沿两个内支架铰链503的连线竖向翻转；第一电磁发生器505设置在内支架502的上端，第二电磁发生器506设置在内支架502的底端，第一电磁发生器505与第二电磁发生器506产生的磁极不同；注射有纤维树脂混合液的金属型腔水平设置在内支架502中。
本实施例中，外支架铰链504用于控制外支架501的水平转动，即控制磁场沿y轴方向转动；内支架铰链504用于控制内支架502的转动，即控制磁场沿x轴转动；通过外支架与内支架旋转运动的结合，可控制磁场方向空间上的不同，以此控制纤维芯层2中纤维丝在空间中的取向；第一电磁发生器505及第二电磁发生器506中磁场由电产生，控制电流的大小即可控制磁场的大小，即可控制碳纤维芯层2中短纤维在空间中排布。
本实施例中，采用向纤维填充区内注射纤维树脂混合液，通过二自由度电磁场发生装置5，控制其纤维丝排布及取向后，固化成形；调节磁场角度为45°，其所制成的碳纤维芯层2中短纤维的取向变化，如图6所示。
本发明所述的一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材及其制备方法，较同尺寸的纯结构钢板材的质量减轻了一半，刚度与强度明显上升；具有密度低、比强度高、比模量高、性能可进一步优化、可设计性强等优点，且具有良好的阻尼性能；在制备过程中采用液态注射法一次成型，其纤维芯层中纤维丝的排布及取向依靠磁场控制，可用于高速机床立柱横梁等强度、刚度、阻尼性能要求较高的关键部件。本发明能够在保证强度与刚度不降低的前提下，使机械装备关键部件的质量减轻一半，并可在制备过程中，通过改变磁场的大小及方向，优化部件的性能。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

Claims (6)

1.一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材，其特征在于，包括上外板(1)、纤维芯层(2)、若干波纹筋板(3)及下外板(4)；上外板(1)与下外板(4)间隔平行设置，若干波纹筋板(3)平行排布在上外板(1)与下外板(4)之间；相邻波纹筋板(3)之间形成纤维填充区，纤维芯层(2)充填在纤维填充区中；其中，纤维芯层(2)中的纤维丝按同一预设方向均匀排布；
波纹筋板(3)采用半圆形波纹筋板；波纹筋板(3)的一端与下外板(4)焊接固定，另一端与上外板(1)粘接固定；
纤维芯层(2)采用碳纤维芯层，碳纤维芯层中的纤维丝与上外板(1)或下外板(4)长度方向之间的夹角为0°-90°；
所述的一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、按设计尺寸要求，加工上外板(1)、波纹筋板(3)及下外板(4)；
步骤2、将波纹筋板(3)均匀排布在上外板(1)与下外板(4)之间，相邻波纹筋板(3)之间形成若干纤维填充区，得到金属型腔；
步骤3、在金属型腔的纤维填充区内注射纤维树脂混合液；
步骤4、在注射有纤维树脂混合液的金属型腔的外侧施加磁场作用，在磁场作用下，使纤维树脂混合液中的纤维丝按同一预设方向均匀排布；之后，纤维树脂混合液固化成型，得到纤维芯层(2)，即所述波纹加筋金属/纤维混合结构板材制作完成；
上外板(1)及下外板(4)的材质均为结构钢；波纹筋板(3)采用结构钢弯曲形成。
2.根据权利要求1所述的一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材，其特征在于，波纹筋板(3)的高度与纤维芯层(2)的厚度相同，且均为混合结构板材厚度的3/5。
3.根据权利要求1所述的一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材，其特征在于，纤维树脂混合液的制备过程如下：
对纤维丝原料进行剪切，得到预设尺寸的等长纤维丝；
在惰性气体的作用下，将预设尺寸的等长纤维丝通入至导电液体中，得到包裹导电液体的纤维丝；
将包裹导电液体的纤维丝与树脂混合，得到所述的纤维树脂混合液。
4.根据权利要求3所述的一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材，其特征在于，对纤维丝原料进行剪切过程，利用纤维切断设备对纤维丝原料进行剪切。
5.根据权利要求1所述的一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材，其特征在于，采用二自由度磁场发生装置对注射有纤维树脂混合液的金属型腔施加磁场作用；其中，二自由度磁场发生装置包括外支架(501)、内支架(502)、内支架铰链(503)、外支架铰链(504)、第一电磁发生器(505)及第二电磁发生器(506)；
外支架(501)的竖直方向两端对称设置有外支架铰链(504)，外支架(501)能够沿两个外支架铰链(504)的连线水平转动；外支架(501)的水平方向两端对称设置有内支架铰链(503)，内支架(502)的水平两端通过内支架铰链(503)与外支架(501)连接，内支架(502)能够沿两个内支架铰链(503)的连线竖向翻转；第一电磁发生器(505)设置在内支架(502)的上端，第二电磁发生器(506)设置在内支架(502)的底端，第一电磁发生器(505)与第二电磁发生器(506)产生的磁极不同；注射有纤维树脂混合液的金属型腔水平设置在内支架(502)中。
6.根据权利要求1所述的一种波纹加筋金属/纤维混合结构板材，其特征在于，纤维树脂混合液中，包裹导电液体的等长纤维丝的体积分数为0.5％-3％；导电液体采用石墨基导电胶。
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