CN115503295A - 含能材料夹层纤维复合材料回转筒体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含能材料夹层纤维复合材料回转筒体及其制备方法，该回转筒体包括由外至内依次设置的外蒙皮结构单元、多层夹层结构单元和内蒙皮结构单元，多层夹层结构单元由交替设置的奇数夹层结构单元和偶数夹层结构单元组成；各结构单元由聚合物基体、分布于聚合物基体中的含能材料和设于聚合物基体内侧的承载层构成。制备方法包括制备含有含能材料的纤维预浸料、将纤维预浸料和含能材料共混树脂膜进行裁剪和预叠合、在模具上依次铺设预浸料和树脂膜、压实排气、模具组装和分段固化。本发明的回转筒体具有含能材料种类可变可调控、力学性能良好、组分分布多层有序等优点，制备方法工艺简单，易于实现大规模生产。

Description

含能材料夹层纤维复合材料回转筒体及其制备方法
技术领域
本发明属于碳纤维复合材料结构-功能一体化构件制备领域，具体涉及一种含能材料夹层纤维复合材料回转筒体及其制备方法。
背景技术
碳纤维复合材料以其高比强度、高比模量、耐疲劳、耐腐蚀、性能可设计等优点，正在逐步替代结构钢、铝合金、钛合金等金属结构材料，成为了航空航天装备的首选结构材料，筒类回转体又是航空航天装备中最为常见的结构类型。为了赋予航空航天装备毁伤性能，结构材料的含能化是一个有效解决途径。一般筒类回转体的制备方法主要有旋压、锻压、铣削、车削等。上述方法均属于“减材制造”，为了保证所制备的材料承载性能，其组分在原材料制备阶段均已确定，难以在制备构件的过程中更改。此外，在这些构件制备过程中，通常涉及到高温、高压等处理过程，含能材料通常是属于反应性材料，在高温高压下容易发生反应释能，为构件的制备带来不可预估的安全性问题，因此难以实现含能化。而碳纤维复合材料的制备属于“增材制造”方式，其组分的选择与其在构件中的分布可以根据具体要求灵活选择，成型工艺条件较为温和，不涉及高温、高压成型过程，因此具备含能化的前提条件。
在碳纤维复合材料筒类回转体中引入含能组分的常见方法主要是两种，一是将含能组分制成薄层与碳纤维预浸料交替层叠，并利用碳纤维复合材料中基体树脂的粘接性能粘接碳纤维层与含能组分层。二是将碳纤维层间含能组分混合入基体树脂中，并通过真空导入、手糊、或者湿法缠绕的方式制备。在第一种方法中，含能材料内聚强度通常不高，在外载荷下，含能材料层容易发生破坏，从而降低构件的强度。第二种方法中，树脂粘度通常较低。由于含能材料通常为金属颗粒，密度是树脂基体2-10倍，因此在树脂中易发生沉降，在制备筒类构件时，容易带来颗粒在构件中分布不均的问题，不仅影响复合材料的释能效果，还可能带来承载性能的下降。此外，由于颗粒含能材料的加入会显著提高树脂的流动性，成型时容易在复合材料中引入大量缺陷。因此这类方法对于含能材料在基体中的添加量有上限且含量难以灵活调控，这极大限制了碳纤维复合材料筒回转体的释能特性的发挥。
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，特别是针对目前在复合材料回转筒体中含能材料内聚强度低、分布不均匀、含能材料在筒体中添加量受限的问题，提供一种含能材料种类可变、筒体中含量可调且力学性能良好的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
一种含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，所述回转筒体包括由外至内依次设置的外蒙皮结构单元、多层夹层结构单元和内蒙皮结构单元，所述多层夹层结构单元由交替设置的奇数夹层结构单元和偶数夹层结构单元组成；所述外蒙皮结构单元由第一聚合物基体、分布于第一聚合物基体中的第一含能材料和设于第一聚合物基体内侧的第一承载层构成，设所述奇数夹层结构单元的个数为N，第n个奇数夹层结构单元记为On结构单元，1≤n≤N，N取正整数，则所述On结构单元由On聚合物基体、分布于On聚合物基体中的On含能材料和设于On聚合物基体内侧的On承载层构成，设所述偶数夹层结构单元的个数为M，第m个奇数夹层结构单元记为Om结构单元，1≤m≤M，M取正整数，则所述Om结构单元由Om聚合物基体、分布于Om聚合物基体中的Om含能材料和设于Om聚合物基体内侧的Om承载层构成，所述内蒙皮结构单元由第二聚合物基体、分布于第二聚合物基体中的第二含能材料和设于第二聚合物基体内侧的第二承载层构成；所述外蒙皮结构单元、奇数夹层结构单元、偶数夹层结构单元、内蒙皮结构单元均为筒体结构，且厚度均为0.11mm～0.8mm；所述第一承载层、On承载层、Om承载层和第二承载层为纤维织物层。
该回转筒体中，各结构单元也可以认为是由含能层及设于含能层内侧的承载层组成，含能层即为聚合物基体和分布于聚合物基体中的含能材料组成，由于工艺过程会进行真空袋压、压实排气、固化等操作，承载层的纤维织物中可含有聚合物基体，即各结构单元中承载层位于聚合物基体的内侧，可浸入一定量的聚合物基体，承载层的表面还会嵌入一些含能材料，形成类似“过渡层”的结构。
上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，优选的，N为1～10，M为1～10。
上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，优选的，所述第一含能材料、On含能材料、Om含能材料、第二含能材料呈颗粒状、纤维状或片状，所述第一含能材料、On含能材料、Om含能材料、第二含能材料的外形特征的尺寸为0.1μm～50μm。
上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，优选的，所述第一含能材料、On含能材料、Om含能材料、第二含能材料选自以非金属元素、金属元素、合金或聚合物构成的颗粒材料中的一种或多种，所述含能材料的颗粒直径为1μm～20μm，所述非金属元素包括B、C和P中的一种或多种，所述金属元素包括Al、Fe、Co、Ni、Ta和Ti中的一种或多种，所述合金包括铝镁合金，所述聚合物包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物中的一种或多种。
上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，优选的，所述第一含能材料、On含能材料、Om含能材料、第二含能材料均匀分散于相应结构单元的聚合物基体中，所述第一含能材料、On含能材料、Om含能材料、第二含能材料在相应结构单元的聚合物基体中的体积分数为5％～60％。
上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，优选的，所述第一承载层、On承载层、Om承载层、第二承载层具有不同的铺层角度，所述第一承载层、On承载层、Om承载层、第二承载层的厚度均为0.1mm～0.3mm；所述第一承载层、On承载层、Om承载层和第二承载层的表面嵌入有含能材料，嵌入含能材料的厚度均在0.5μm～3.5μm范围，嵌入的含能材料在对应的承载层中的体积分数为0.5％～10％。
上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，优选的，所述纤维织物层包括连续纤维单向带、长纤维织物或短切纤维毡，所述纤维织物层的纤维包括碳纤维、玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维、凯夫拉纤维、PBO纤维、硼纤维和表面沉积硼的钨芯纤维中的一种或多种。
上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，优选的，所述第一聚合物基体、On聚合物基体、Om聚合物基体、第二聚合物基体选自环氧树脂、氟改性环氧树脂、氟树脂、不饱和聚酯树脂和氟橡胶中的一种或多种。
上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，优选的，所述外蒙皮结构单元由第一圆形筒底和第一圆形筒身构成，第一圆形筒底的直径等于所述回转筒体的外径，第一圆形筒身的周长等于所述回转筒体的外周周长，第一圆形筒身的高等于所述回转筒体的外周高。
上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，优选的，所述On结构单元由On圆形筒身和带突出部的On圆形筒底构成，On圆形筒底的突出部贴于On圆形筒身的外壁上，所述突出部沿On圆形筒底的圆周均匀分布，所述突出部上连接On圆形筒底的弧长为On圆形筒底圆周的3～36等分长；相邻的On结构单元与On+1结构单元之间满足：On+1圆形筒底与On圆形筒底的周长之差为On圆形筒身厚度的6.28倍，On+1圆形筒身与On圆形筒身的高度之差为On圆形筒底内径的1/10～1/20，On+1圆形筒底突出部与On圆形筒底突出部的长度之差为On圆形筒身高度的1/20～1/10。
上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，优选的，所述Om结构单元由Om圆形筒底和带突出部的Om圆形筒身构成，Om圆形筒身的突出部贴于Om圆形筒底上，所述突出部沿Om圆形筒身的外周均匀分布，所述突出部上连接Om圆形筒身的弧长为Om圆形筒身外周的3～36等分长；相邻的Om结构单元与Om+1结构单元之间满足：Om+1圆形筒底与Om圆形筒底的周长之差为Om圆形筒身厚度的3.14倍，Om+1圆形筒底与Om圆形筒底的直径之差为Om圆形筒身内径的1/5～1/20，Om+1圆形筒底突出部与Om圆形筒底突出部的长度之差为Om圆形筒身内径的1/20～1/5。
上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，优选的，所述内蒙皮结构单元由第二圆形筒底和第二圆形筒身构成，第二圆形筒底的直径等于所述回转筒体的内腔直径，第二圆形筒身的周长等于所述回转筒体的内腔周长，第二圆形筒身的高等于所述回转筒体的内腔高。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用压延法制备含能材料共混树脂膜，然后以含能材料共混树脂膜-纤维织物-含能材料共混树脂膜的构型，采用卷对卷压延方式制备含有含能材料的纤维预浸料；
(2)根据预设的回转筒体的各结构单元的特点，将含有含能材料的纤维预浸料和含能材料共混树脂膜进行裁剪，得到预叠合的含有含能材料的纤维预浸料以及含能材料共混树脂膜；
(3)准备由内阳模与外阴模构成的模具，在内阳模表面放置脱模布，将内阳模的表面温度升至30℃～50℃，然后铺贴一层含能材料共混树脂膜作为基底层，保持内阳模表面温度，将步骤(2)所得预叠合的含有含能材料的纤维预浸料以及含能材料共混树脂膜按照回转筒体的各结构单元特点依次铺贴在内阳模上，并排除气体；
(4)每铺设1～6层结构单元后加盖可透气聚四氟乙烯织物布与硅胶软垫，采用真空袋压工艺，将铺设的含有含能材料的纤维预浸料以及含能材料共混树脂膜加热至30℃～80℃并保持10min～30min，以压实排气；排气后依次取下真空袋、硅胶软垫和可透气聚四氟乙烯织物布；如此往复，至所有结构单元铺设完毕；
(5)将上述真空袋压处理后的最外层结构单元表面加盖可透气聚四氟乙烯织物布，再围贴一圈不锈钢片，然后加盖外阴模和上盖板，将导气介质包裹于模具外表面，并在最外层使用真空袋密封，完成固化前模具组装；
(6)将封装好真空袋的模具置于烘箱中，监测真空袋内模具表面温度，将模具从室温升至Th1，保温th1，然后从Th1升温至Th2，保温th2，再将温度升至Tc，保温tc，进行充分固化，然后冷却至室温，经脱模后，得到含能材料夹层纤维复合材料回转筒体；其中，所述Th1为所采用树脂体系温度升高至等温粘度第一次低于10001mPa·s～20000mPa·s时的温度，所述th1为1h～5h，所述Th2为所采用树脂体系温度升高至等温粘度第一次低于5000mPa·s～10000mPa·s时的温度，所述th2为0.5h～1h，所述Tc为所采用树脂体系在升温速率为0时的峰值固化温度，所述tc为1h～8h。
上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体的制备方法，优选的，所述含能材料共混树脂膜中含能材料的体积分数为1％～80％，，所述含能材料共混树脂膜的厚度为0.05mm～0.3mm；所述硅胶软垫的厚度为0.5mm～2mm，所述不锈钢片为超薄不锈钢片，所述不锈钢片的厚度为0.01mm～0.1mm，所述不锈钢片的长度与最外层结构单元筒身高度相等，所述不锈钢片的宽度为1/3～1/8最外层结构单元的外圆周长。
上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体的制备方法，优选的，若回转筒体中纤维体积分数低于35％，则先将同一结构单元的含有含能材料的纤维预浸料和含能材料共混树脂膜在30℃～50℃下进行平整贴合。
本发明中，承载层主要对整个回转筒体起到承载、支撑作用，是回转筒体强度与刚度的来源。
本发明中，选择的聚合物基体具有室温粘度高、可成膜的特点。
本发明中，各结构单元的组成材料可相同，也可不相同。
本发明中，On圆形筒底的周长等于On圆形筒身的外周长，Om圆形筒底的周长等于Om圆形筒身的外周长。
本发明中，含能材料夹层纤维复合材料回转筒体是由包含顶出机构、内阳模、多片式瓦片外阴模以及上盖板组成的金属成型模具经无外压辅助或外压辅助的热真空袋压成型工艺制成。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体具有含能组分含量高、含能组分/含量灵活可变、筒体承载性能良好的特点。纤维增强复合材料为层合结构，层与层之间的剪切强度是衡量复合材料性能的重要指标，若采用现有技术，即在复合材料表面直接贴合含能材料，势必存在结构强度不足的缺点，本发明通过将复杂的三维复合材料结构分解为外蒙皮结构单元、多层夹层结构单元和内蒙皮结构单元，每个结构单元均由纤维以及富含含能组分的聚合物基体组成，实现了承载层与功能层的有机结合，在保证具有足够强度的力学性能同时，大幅度提高了含能组分的含量。该含能材料夹层碳纤维复合材料回转筒体在结构-释能一体化结构上有广泛的应用场景。
2、本发明的制备方法利用预浸料和树脂膜的柔性以及可设计性，设计了一套适合回转筒体的铺层结构，该结构可有效解决复合材料回转筒体的筒底与筒身之间结合强度弱的缺点，并改良了树脂膜熔融浸渍方法，将树脂膜合理分布在各个结构单元中间，保证了每个结构单元的可设计性和完整性，实现了含能材料组分在复合材料筒中的种类的灵活控制与分布简便调控，该方法解决了传统含能碳纤维复合材料回转筒体含能材料铺层内聚强度低、筒体中含能材料含量低、筒承载性能低等技术问题。
附图说明
图1为本发明实施例1中含能材料夹层纤维复合材料回转筒体的On结构单元和Om结构单元的结构示意和铺叠方式图。
图2为本发明实施例1制备的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体的正面及截面照片。
图3为本发明实施例2制备的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体的正面及截面照片。
图4为对比例1制备的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体的正面及截面照片。
图5为对比例2制备的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体的正面及截面照片。
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。以下实施例中，若无特别说明，所采用的原料和仪器均为市售。
实施例1：
一种本发明的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，包括由外至内依次设置的外蒙皮结构单元、多层夹层结构单元和内蒙皮结构单元，多层夹层结构单元由交替设置的奇数夹层结构单元和偶数夹层结构单元组成；外蒙皮结构单元由第一聚合物基体、分布于第一聚合物基体中的第一含能材料和设于第一聚合物基体内侧的第一承载层构成，该实施例奇数夹层结构单元的个数为7，即N为8，1≤n≤7，即在奇数夹层结构单元中分为O1、O2、O3、O4、O5、O6、O7、O8结构单元，On结构单元由On聚合物基体、分布于On聚合物基体中的On含能材料和设于On聚合物基体内侧的On承载层构成，该实施例中偶数夹层结构单元的个数为8，即M为7，1≤m≤7，Om结构单元由Om聚合物基体、分布于Om聚合物基体中的Om含能材料和设于Om聚合物基体内侧的Om承载层构成，内蒙皮结构单元由聚合物基体、分布于聚合物基体中的含能材料和设于聚合物基体内侧的承载层构成。该实施例中回转筒体的筒高为215mm，筒外径为100mm，壁厚为5.5mm，纤维体积分数为50％。回转筒体由17个结构单元叠层得到，单个结构单元的厚度为0.32mm。
本实施例中，第一含能材料、On含能材料、Om含能材料、第二含能材料均由Al颗粒和Ta颗粒按9∶1的质量比组成，Al颗粒直径为5μm，Ta颗粒直径为20μm。
本实施例中，第一含能材料、On含能材料、Om含能材料、第二含能材料均匀分散于相应结构单元的聚合物基体中，第一含能材料、On含能材料、Om含能材料、第二含能材料在相应结构单元的聚合物基体中的体积分数为50％。含有含能材料的聚合物基体也即含能层，厚度为0.12mm。含能层即为厚度0.12mm的包埋在一种多组分环氧基体中的直径为5μm Al以及直径为20μm Ta金属颗粒含能材料所形成的固体层。
本实施例中，第一承载层、On承载层、Om承载层、第二承载层之间的铺层角度为30°，第一承载层、On承载层、Om承载层、第二承载层的厚度均为0.2mm；第一承载层、On承载层、Om承载层和第二承载层的表面嵌入有含能材料(相当于过渡层)，嵌入含能材料的厚度为1-2μm，嵌入的含能材料在对应的承载层中的体积分数为2％。第一承载层、On承载层、Om承载层、第二承载层均为纤维织物层，纤维织物层为T300碳纤维织物。
本实施例中，第一聚合物基体、O3聚合物基体、O4聚合物基体、第二聚合物基体均由端羧基丁腈橡胶、F46环氧树脂、E51环氧树脂与双氰胺按2∶3∶5∶1的质量比固化而成。
本实施例中，外蒙皮结构单元由第一圆形筒底和第一圆形筒身连接而成，第一圆形筒底的直径等于所述回转筒体的外径，第一圆形筒身的周长等于所述回转筒体的外周周长，第一圆形筒身的高等于所述回转筒体的外周高。
本实施例中，如图1所示，On结构单元由On圆形筒身(图中为圆形筒身的展开图)和带突出部(即突出翻折边，长度为h)的On圆形筒底构成，On圆形筒底的突出部贴于On圆形筒身的外壁上，突出部沿On圆形筒底的圆周均匀分布，突出部上连接On圆形筒底的弧长为On圆形筒底圆周的8等分长；相邻的On结构单元与On+1结构单元之间满足：On+1圆形筒底与On圆形筒底的周长之差为On圆形筒身厚度的6.28倍，On+1圆形筒身与On圆形筒身的高度之差为On圆形筒底内径的1/10，On+1圆形筒底突出部与On圆形筒底突出部的长度之差为On圆形筒身高度的1/10。
本实施例中，如图1所示，Om结构单元由Om圆形筒底(图中为圆形筒身的展开图)和带突出部(即突出翻折边，长度为h)的Om圆形筒身构成，Om圆形筒身的突出部贴于Om圆形筒底上，突出部沿Om圆形筒身的外周均匀分布，突出部上连接Om圆形筒身的弧长为Om圆形筒身外周的8等分长；相邻的Om结构单元与Om+1结构单元之间满足：Om+1圆形筒底与Om圆形筒底的周长之差为Om圆形筒身厚度的6.28倍，Om+1圆形筒底与Om圆形筒底的直径之差为Om圆形筒身内径的1/5，Om+1圆形筒底突出部与Om圆形筒底突出部的长度之差为Om圆形筒身内径的1/5。
本实施例中，内蒙皮结构单元由第二圆形筒底和第二圆形筒身构成，第二圆形筒底的直径等于所述回转筒体的内腔直径，第二圆形筒身的周长等于所述回转筒体的内腔周长，第二圆形筒身的高等于所述回转筒体的内腔高。
一种本实施例的的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体的制备方法，包括以下步骤：
(1)在市售涂胶机上采用压延法制备含能材料共混树脂膜，然后在市售涂布机上使用上述制备的两卷树脂膜及纤维织物以含能材料共混树脂膜-纤维织物-含能材料共混树脂膜的构型，采用卷对卷压延方式制备含有含能材料的纤维预浸料。
(2)根据预设的回转筒体的各结构单元的特点，在市售全自动裁布机上将含有含能材料的纤维预浸料和含能材料共混树脂膜进行裁剪，得到预叠合的含有含能材料的纤维预浸料以及含能材料共混树脂膜，并以硬质环氧板刮平表面，排除气体夹杂。该含能材料共混树脂膜一方面便于提高含能材料质量分数，另一方面降低了工艺难度。
(3)准备由内阳模与外阴模构成的模具，在内阳模表面放置脱模布，将内阳模的表面温度升至30℃，然后铺贴一层含能材料共混树脂膜作为基底层，增加预浸料与模具表面粘连性，同时减小筒内壁空气夹杂。保持内阳模表面温度，将步骤(2)所得预叠合的含有含能材料的纤维预浸料以及含能材料共混树脂膜按照回转筒体的各结构单元特点依次铺贴在内阳模上，并排除气体。
(4)每铺设4层结构单元后加盖可透气聚四氟乙烯织物布与硅胶软垫，采用真空袋压工艺，将铺设的纤维预浸料及含能材料共混树脂膜加热至50℃并保持20min，以压实排气；排气后依次取下真空袋、硅胶软垫和可透气聚四氟乙烯织物布；该步骤需要重复4次。
(5)将真空袋压处理后的最外层结构单元表面加盖可透气聚四氟乙烯织物布，再围贴一圈不锈钢片，不锈钢片之间无间隔，然后加盖外阴模和上盖板，将导气介质包裹于模具外表面，并密封真空袋，完成固化前模具组装。
(6)将封装好真空袋的模具置于烘箱中，以热电偶监测真空袋内模具表面温度，将模具从室温升至80℃，保温1h，然后从80℃升温至100℃，保温1h，再将温度升至120℃，保温2h，进行充分固化，然后冷却至室温，经脱模后，得到含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，如图2所示。
本实施例中，含能材料共混树脂膜中含能材料的体积分数为50％，含能材料共混树脂膜的厚度为0.06mm；硅胶软垫的厚度为2mm，不锈钢片为超薄不锈钢片，厚度为0.05mm，长度与最外层筒身高度相等，宽度为1/8筒外圆周长。
实施例2
一种本发明的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，与实施例1基本相同，区别仅在于：回转筒体中纤维体积分数为15％，多层层合结构具有8个结构单元，奇数夹层数量为3层，偶数夹层数量为3层。单个结构单元的厚度为0.69mm，含能层厚度为0.49mm，含能材料在含能层的体积分数为60％。回转筒体的结构照片如图3所示。
本实施例的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体的制备过程与实施例1基本相同，区别仅在于：步骤(2)中，在裁剪好树脂膜与预浸料后，先在底面控温平台上，控制温度为40℃,使用带加热功能的平板熨斗将将树脂膜逐层与该层结构单元的预浸料在控温平台上平整贴合，贴合时平板熨斗温度控制与控温平台一致。步骤(4)中，每铺设1层后，采用真空袋压工艺，将所铺设的预浸料及树脂膜加热至40℃后保持10min以压实所铺设层，排出铺层间所夹杂的气泡。
对比例1
本对比例中筒基本几何外形、材料、结构单元与实施例1完全相同。本对比例的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体的制备过程与实施例1基本相同，区别仅在于：未采用步骤(4)进行逐层压实，排除气泡。如图4所示，可以发现回转筒体外形存在多处褶皱，其筒身截面处存在多处气孔缺陷。
对比例2
本对比例中筒基本几何外形、材料、结构单元与实施例2完全相同。本对比例的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体的制备过程与实施例2基本相同，区别仅在于：步骤(6)中未采用多段加热，直接将模具升至固化温度120℃。如图5所示，可以发现直接升温至120℃时筒身截面处有多处气孔缺陷，而本发明的固化制度有助于含能树脂膜在凝胶点前排除大量气泡，提高回转筒体的结构强度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，其特征在于，所述回转筒体包括由外至内依次设置的外蒙皮结构单元、多层夹层结构单元和内蒙皮结构单元，所述多层夹层结构单元由交替设置的奇数夹层结构单元和偶数夹层结构单元组成；所述外蒙皮结构单元由第一聚合物基体、分布于第一聚合物基体中的第一含能材料和设于第一聚合物基体内侧的第一承载层构成，设所述奇数夹层结构单元的个数为N，第n个奇数夹层结构单元记为On结构单元，1≤n≤N，N取正整数，则所述On结构单元由On聚合物基体、分布于On聚合物基体中的On含能材料和设于On聚合物基体内侧的On承载层构成，设所述偶数夹层结构单元的个数为M，第m个奇数夹层结构单元记为Om结构单元，1≤m≤M，M取正整数，则所述Om结构单元由Om聚合物基体、分布于Om聚合物基体中的Om含能材料和设于Om聚合物基体内侧的Om承载层构成，所述内蒙皮结构单元由第二聚合物基体、分布于第二聚合物基体中的第二含能材料和设于第二聚合物基体内侧的第二承载层构成；所述外蒙皮结构单元、奇数夹层结构单元、偶数夹层结构单元、内蒙皮结构单元均为筒体结构，且厚度均为0.11mm～0.8mm；所述第一承载层、On承载层、Om承载层和第二承载层为纤维织物层。
2.根据权利要求1所述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，其特征在于，N为1～10，M为1～10；和/或，所述第一含能材料、On含能材料、Om含能材料、第二含能材料呈颗粒状、纤维状或片状，所述第一含能材料、On含能材料、Om含能材料、第二含能材料的外形特征的最大尺寸为0.1μm～50μm。
3.根据权利要求2所述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，其特征在于，所述第一含能材料、On含能材料、Om含能材料、第二含能材料选自以非金属元素、金属元素、合金或聚合物构成的颗粒材料中的一种或多种，所述含能材料的颗粒直径为1μm～20μm，所述非金属元素包括B、C和P中的一种或多种，所述金属元素包括Al、Fe、Co、Ni、Ta和Ti中的一种或多种，所述合金包括铝镁合金，所述聚合物包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，其特征在于，所述第一含能材料、On含能材料、Om含能材料、第二含能材料均匀分散于相应结构单元的聚合物基体中，所述第一含能材料、On含能材料、Om含能材料、第二含能材料在相应结构单元的聚合物基体中的体积分数为5％～60％。
5.根据权利要求1所述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，其特征在于，所述第一承载层、On承载层、Om承载层、第二承载层具有不同的铺层角度，所述第一承载层、On承载层、Om承载层、第二承载层的厚度均为0.1mm～0.3mm；所述第一承载层、On承载层、Om承载层和第二承载层的表面嵌入有含能材料，嵌入含能材料的厚度均在0.5μm～3.5μm范围，嵌入的含能材料在对应的承载层中的体积分数为0.5％～10％；
所述纤维织物层包括连续纤维单向带、长纤维织物或短切纤维毡，所述纤维织物层的纤维包括碳纤维、玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维、凯夫拉纤维、PBO纤维、硼纤维和表面沉积硼的钨芯纤维中的一种或多种。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，其特征在于，所述第一聚合物基体、On聚合物基体、Om聚合物基体、第二聚合物基体选自环氧树脂、氟改性环氧树脂、氟树脂、不饱和聚酯树脂和氟橡胶中的一种或多种。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，其特征在于，所述外蒙皮结构单元由第一圆形筒底和第一圆形筒身构成，第一圆形筒底的直径等于所述回转筒体的外径，第一圆形筒身的周长等于所述回转筒体的外周周长，第一圆形筒身的高等于所述回转筒体的外周高；
所述On结构单元由On圆形筒身和带突出部的On圆形筒底构成，On圆形筒底的突出部贴于On圆形筒身的外壁上，所述突出部沿On圆形筒底的圆周均匀分布，所述突出部上连接On圆形筒底的弧长为On圆形筒底圆周的3～36等分长；相邻的On结构单元与On+1结构单元之间满足：On+1圆形筒底与On圆形筒底的周长之差为On圆形筒身厚度的6.28倍，On+1圆形筒身与On圆形筒身的高度之差为On圆形筒底内径的1/10～1/20，On+1圆形筒底突出部与On圆形筒底突出部的长度之差为On圆形筒身高度的1/20～1/10；
所述Om结构单元由Om圆形筒底和带突出部的Om圆形筒身构成，Om圆形筒身的突出部贴于Om圆形筒底上，所述突出部沿Om圆形筒身的外周均匀分布，所述突出部上连接Om圆形筒身的弧长为Om圆形筒身外周的3～36等分长；相邻的Om结构单元与Om+1结构单元之间满足：Om+1圆形筒底与Om圆形筒底的周长之差为Om圆形筒身厚度的3.14倍，Om+1圆形筒底与Om圆形筒底的直径之差为Om圆形筒身内径的1/5～1/20，Om+1圆形筒底突出部与Om圆形筒底突出部的长度之差为Om圆形筒身内径的1/20～1/5；
所述内蒙皮结构单元由第二圆形筒底和第二圆形筒身构成，第二圆形筒底的直径等于所述回转筒体的内腔直径，第二圆形筒身的周长等于所述回转筒体的内腔周长，第二圆形筒身的高等于所述回转筒体的内腔高。
8.一种如权利要求1～7中任一项所述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用压延法制备含能材料共混树脂膜，然后以含能材料共混树脂膜-纤维织物-含能材料共混树脂膜的构型，采用卷对卷压延方式制备含有含能材料的纤维预浸料；
(2)根据预设的回转筒体的各结构单元的特点，将含有含能材料的纤维预浸料和含能材料共混树脂膜进行裁剪，得到预叠合的含有含能材料的纤维预浸料以及含能材料共混树脂膜；
(3)准备由内阳模与外阴模构成的模具，在内阳模表面放置脱模布，将内阳模的表面温度升至30℃～50℃，然后铺贴一层含能材料共混树脂膜作为基底层，保持内阳模表面温度，将步骤(2)所得预叠合的含有含能材料的纤维预浸料以及含能材料共混树脂膜按照回转筒体的各结构单元特点依次铺贴在内阳模上，并排除气体；
(4)每铺设1～6层结构单元后加盖可透气聚四氟乙烯织物布与硅胶软垫，采用真空袋压工艺，将铺设的含有含能材料的纤维预浸料以及含能材料共混树脂膜加热至30℃～80℃并保持10min～30min，以压实排气；排气后依次取下真空袋、硅胶软垫和可透气聚四氟乙烯织物布；如此往复，至所有结构单元铺设完毕；
(5)将上述真空袋压处理后的最外层结构单元表面加盖可透气聚四氟乙烯织物布，再围贴一圈不锈钢片，然后加盖外阴模和上盖板，将导气介质包裹于模具外表面，并在最外层使用真空袋密封，完成固化前模具组装；
(6)将封装好真空袋的模具置于烘箱中，监测真空袋内模具表面温度，将模具从室温升至Th1，保温th1，然后从Th1升温至Th2，保温th2，再将温度升至Tc，保温tc，进行充分固化，然后冷却至室温，经脱模后，得到含能材料夹层纤维复合材料回转筒体；其中，所述Th1为所采用树脂体系温度升高至等温粘度第一次低于10001mPa·s～20000mPa·s时的温度，所述th1为1h～5h，所述Th2为所采用树脂体系温度升高至等温粘度第一次低于5000mPa·s～10000mPa·s时的温度，所述th2为0.5h～1h，所述Tc为所采用树脂体系在升温速率为0时的峰值固化温度，所述tc为1h～8h。
9.根据权利要求8所述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体的制备方法，其特征在于，所述含能材料共混树脂膜中含能材料的体积分数为1％～80％，所述含能材料共混树脂膜的厚度为0.05mm～0.3mm；所述硅胶软垫的厚度为0.5mm～2mm，所述不锈钢片为超薄不锈钢片，所述不锈钢片的厚度为0.01mm～0.1mm，所述不锈钢片的长度与最外层结构单元筒身高度相等，所述不锈钢片的宽度为1/3～1/8最外层结构单元的外圆周长。
10.根据权利要求8或9所述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体的制备方法，其特征在于，若回转筒体中纤维体积分数低于35％，则先将同一结构单元的含有含能材料的纤维预浸料和含能材料共混树脂膜在30℃～50℃下进行平整贴合。
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