CN109732952B

CN109732952B - 一种轻质高强复合材料结构及其制备方法

Info

Publication number: CN109732952B
Application number: CN201910190637.4A
Authority: CN
Inventors: 王翔; 陈黎旋; 王钧; 段华军; 蔡浩鹏; 杨小利; 闫清泉
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: CN109732952A

Abstract

本发明公开了一种轻质高强复合材料结构，该结构它包括中空箱梁结构以及安设在所述中空箱梁结构内部空腔内的支撑芯；所述支撑芯的尺寸大小与中空箱梁结构的内部空腔尺寸相吻合；其中，中空箱梁结构、支撑芯的材料均采用连续纤维浸渍树脂胶液后固化而制成。该复合材料结构在平面方向与垂直方向同时具备良好的力学性能，达到轻质高强的性能特点，同时其制备效率高，结构稳定可靠，适用于需要高强度和低密度的应用领域。

Description

一种轻质高强复合材料结构及其制备方法

技术领域

本发明属于夹芯复合材料技术领域，特别是涉及一种轻质高强纤维增强复合材料结构的制备方法。

背景技术

纤维增强夹芯复合材料具有高比刚度，高比强度，质量轻，减振降噪等优点，因此，在陆运、海运、航空航天及建筑等领域具有十分广阔的应用前景。

以往的夹芯复合材料，一般采用上下蒙皮与中间芯材的夹心结构，然后利用胶接的方式将蒙皮与芯材组合在一起，由于夹心多为蜂窝、泡沫等轻质材料，不仅制作过程繁琐，同时，存在界面粘结不牢，在受到外界载荷作用时容易产生界面脱粘等问题，并且层间剪切强度差，纵向强度差。

为解决夹芯复合材料强度差的不足，人们采用了多种方法来解决，其中例如仿生甲虫鞘翅结构是一种兼顾强度和低密度的结构。由于其在夹层的垂直方向引入了圆柱形结构，因而提高了垂直方向强度。但是，仿生鞘翅结构由于其结构复杂，无法自动化生产，只能手工制备，不仅效率低下，也造成了性能的不稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种便于成型的轻质高强复合材料结构，整体性能优异，制备工艺简单，该结构复合材料在平面方向与垂直方向同时具备良好的力学性能，以及保证材料整体低密度高强度的性能特征。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种轻质高强复合材料结构，其包括中空箱梁结构以及固定安设在所述中空箱梁结构内部空腔内且用于增加中空箱梁结构其稳定性的支撑芯，中空箱梁结构内部空腔为多个方形空腔；其中，中空箱梁结构、支撑芯的材料均采用连续纤维浸渍树脂胶液后固化而制成。

按上述方案，所述支撑芯通过定制或切割使得其尺寸大小与中空结构的中空结构尺寸相吻合。

按上述方案，所述中空箱梁结构还可以用U型梁结构或波纹板结构替换。

按上述方案，所述中空箱梁结构包括上支撑板、下支撑板，以及位于上、下支撑板之间的多个隔板；多个隔板将上、下支撑板之间空间分隔成多个中空腔室，每一中空腔室中填充有一撑芯。优选地，所述隔板与上、下支撑板垂直。

按上述方案，所述支撑芯结构为格栅结构，包括框架以及位于框架内部且间隔设置的多个横板，还可以包括位于框架内部且间隔设置的多个竖板。

按上述方案，所述连续纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、超高分子量聚乙烯纤维等中的一种或多种组成；所述树脂采用热塑性或热固性树脂。

优选地，所述热塑性树脂可选用聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰胺、聚酰亚胺等中的任意一种或多种；所述的热固性树脂选用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、脲醛树脂、有机硅树脂、呋喃树脂等中的一种或多种。

按上述方案，所述中空箱梁结构的壁厚2～10mm，支撑芯壁厚1～10mm；而所组成的轻质高强复合材料结构的整体长度、宽度、厚度不限。

按上述方案，所述支撑芯通过胶接或者机械式连接方式填充到中空箱梁结构的中空部分，从而形成轻质高强复合材料的整体结构。其中，所述的胶接方式包括但不限于直接胶接；所述的机械连接方式可以采用卡扣式或者螺栓连接。

按上述方案，所述中空箱梁结构及格栅结构可采用复合材料拉挤成型工艺、编织拉挤成型工艺、模压或浇注成型工艺等机械化连续工艺生产。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明由中空箱梁结构和格栅经过组合、连接得到轻质高强复合材料结构，使得该结构复合材料在平面方向与垂直方向同时具备良好的力学性能，以及保证材料整体低密度高强度的性能特征，具有优异的拉伸强度，也能保证材料的压缩、弯曲强度和冲击强度，解决了夹心复合材料结构存在的纵向强度不足的问题。

2、本发明所述轻质高强复合材料结构，制备工艺简单，制作效率高，且性能稳定，避免了夹心复合材料容易出现的面层与芯材粘接不牢的问题。

3、本发明设计的轻质高强复合材料结构生产效率高，成型制品的性能一致性程度好，成型快速简单，整体尺寸大小易于调节，可广泛用于汽车、船舶、建筑、航空航天等领域。

附图说明

图1是中空箱梁结构的结构示意图；

图2是格栅的结构示意图；

图3是本发明轻质高强复合材料结构的剖视结构示意图；

图4是本发明轻质高强复合材料结构的剖视结构示意图；

图5是本发明轻质高强复合材料结构内部展示示意图；

图6是本发明轻质高强复合材料结构内部展示示意图；

图7是本发明轻质高强复合材料结构的剖视结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

本发明中，树脂胶液指采用树脂与固化剂按比例配制而成，胶液在一定条件下发生反应后固化。例如，实施例1采用常用的环氧树脂E51与常用胺类固化剂D400可以按照质量比1:1混合均匀后固化而成。

实施例1

一种轻质高强复合材料结构，其包括中空箱梁结构(如图1所示)以及安设在所述中空箱梁结构内部空腔内的支撑芯(如图2所示)；其中，中空箱梁结构包括上支撑板、下支撑板，以及上、下支撑板之间的多个隔板，隔板与上、下支撑板垂直，相邻两隔板和上、下支撑板围成至少一段开口的空腔，空腔用于安设支撑芯；支撑芯结构为格栅结构，包括框架和以及位于框架内部且间隔设置的多个横板和多个竖板；中空箱梁结构、支撑芯的材料均采用连续玻璃纤维预先浸渍环氧树脂胶液后固化而制成。

上述轻质高强复合材料结构，其制备方法包括如下步骤：

(1)采用连续玻璃纤维预先浸渍环氧树脂胶液，通过拉挤成型、切割，得到长度100mm、厚度为10mm、壁厚为1mm、中空为横截面8mmX8mm的长方体(宽度根据实际需要自由调节或者根据设备所能提供大小尺寸决定)，即为中空箱梁结构；同样，也采用采用连续玻璃纤维预先浸渍环氧树脂胶液，通过拉挤成型后，切割得到框架尺寸：长度100mm、宽度8mm、厚度8mm、壁厚1mm，框架内部每一单元格为6mmX6mm的格栅结构；

(2)，如图3所示，将格栅结构采用环氧树脂AB胶胶接的方式填充到中空箱梁结构的空腔内，即得到所需要的轻质高强复合材料结构。

实施例2

一种轻质高强复合材料结构，其制备方法包括如下：

如图3所示，实施例2与实施例1采用相同结构，同样拉挤与切割工艺，但不同之处在于：实施例2使用碳纤维代替玻璃纤维制作拉挤型材，并且将型材整体尺寸放大，放大后中空箱梁结构的尺寸为：长度为300mm、厚度为20mm、壁厚2mm、空腔为横截面16mmX16m的长方体的中空箱梁结构，格栅结构的框架尺寸：长度300mm、宽度16mm、厚度16mm、壁厚2mm、框架内部每一单元格为12mmX12mm。之后进行与实施例1相同方式填充胶接完成，即得到所需要的轻质高强复合材料结构。

实施例3

一种轻质高强复合材料结构，其制备方法包括如下：

如图4所示，实施例3与实施例1实施例1采用相同结构，同样拉挤与切割工艺，但不同之处在于：实施例3使用1:1碳纤维与玻璃纤维的混杂纤维代替玻璃纤维制作拉挤型材，同时在放大尺寸的同时，将材料壁厚减小，降低材料密度，并且采用将填充格栅方格孔隙密度增大的方式改变材料性能，最后尺寸为：长度为300mm、厚度为20mm、壁厚1mm、中空为横截面18mmX18m的长方体的中空箱梁结构，以及框架尺寸：长度300mm、宽度18mm、厚度18mm、壁厚1mm、框架内部每一单元格为6mmX6mm的格栅结构。之后进行与实施例1相同方式填充胶接完成，即得到所需要的轻质高强复合材料结构。

实施例4

一种轻质高强复合材料结构，其制备方法包括如下：

如图5所示，实施例4与实施例3采用相同材料制作，以及材料最终结构大小也相同，但不同之处在于：为了方便后续格栅芯材填充与粘接，所以采用一种将材料外部的中空箱梁节结构分为两半进行拉挤成型，拉挤成型的箱梁半成品尺寸为长度为300mm、厚度为10mm、壁厚1mm、空腔为横截面18mmX9mm的长方体两块，之后将格栅芯材利用环氧树脂AB胶胶接的方式填充到两块箱梁半成品中间，即得到所需要的轻质高强复合材料结构，该方法有利于提高生产效率，但是材料整体性降低，从容整体结构性能降低。

实施例5

一种轻质高强复合材料结构，其制备方法包括如下步骤：

如图6所示，实施例5与实施例4相似制作工艺，材料相同，先采用将中空箱梁分割为两部分后进行与芯材的粘接，但不同之处在于：其中分割后的半成品箱梁尺寸为长度为300mm、厚度为19mm、壁厚1mm、空腔为横截面18mmX37mm的长方体两块；格栅框架尺寸：长度为300mm、宽度18mm、厚度18mm、壁厚1mm、中空为16mmX16mm。之后将格栅芯材利用环氧树脂AB胶胶接的方式按照如图6所示的方式填充到两块箱梁半成品中间，即得到所需要的轻质高强复合材料结构。

实施例6

一种轻质高强复合材料结构，其制备方法包括如下步骤：

如图7所示，实施例6与实施例3相似，材料相同，不同之处在于将材料整体结构的尺寸放大较大倍数，箱梁中空改为长方形，将填充格栅方格孔隙密度增大，具体尺寸为：长度为300cm、厚度为20cm、壁厚1cm、空腔为横截面18cmX39cm的长方体的中空箱梁结构，以及框架长度300cm、宽度39cm、厚度18cm、壁厚1cm、框架内部每一单元格为8.5cmX8.5cm的格栅结构。之后将格栅对中空箱梁进行胶接填充，即得到所需要的轻质高强复合材料结构。

实施例1-6制备的轻质高强复合材料结构经过测试后，性能如表1所示。

表1

实施例	弯曲强度	弯曲刚度	比强度	整体密度
					1	157.68MPa	7.35Gpa	0.19Gpa·(g·cm<sup>3</sup>)<sup>-1</sup>	0.8g·cm<sup>3</sup>
2	173.91MPa	11.52Gpa	0.25Gpa·(g·cm<sup>3</sup>)<sup>-1</sup>	0.7g·cm<sup>3</sup>
					3	165.1MPa	9.94Gpa	0.21Gpa·(g·cm<sup>3</sup>)<sup>-1</sup>	0.77g·cm<sup>3</sup>
4	160.7MPa	9.44Gpa	0.20Gpa·(g·cm<sup>3</sup>)<sup>-1</sup>	0.77g·cm<sup>3</sup>
					5	162.1MPa	9.74Gpa	0.23Gpa·(g·cm<sup>3</sup>)<sup>-1</sup>	0.69g·cm<sup>3</sup>
6	158.4MPa	9.37Gpa	0.22Gpa·(g·cm<sup>3</sup>)<sup>-1</sup>	0.71g·cm<sup>3</sup>

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种轻质高强复合材料结构，其特征在于它包括中空箱梁结构以及固定安设在所述中空箱梁结构内部空腔内且用于增加中空箱梁结构其稳定性的支撑芯；所述支撑芯的尺寸大小与中空箱梁结构的内部空腔尺寸相适配；其中，中空箱梁结构、支撑芯的材料均采用连续纤维浸渍树脂胶液后固化而制成，中空箱梁结构内部空腔为多个方形空腔；所述中空箱梁结构的壁厚2~10mm，支撑芯的壁厚1~10mm；

所述中空箱梁结构包括上支撑板、下支撑板，以及位于上、下支撑板之间的多个隔板；多个隔板将上、下支撑板之间空间分隔成多个中空腔室，每一中空腔室中填充有一支撑芯；所述隔板与上、下支撑板垂直；

所述支撑芯结构为格栅结构，包括框架以及位于框架内部且间隔设置的多个横板和多个竖板；

所述支撑芯通过胶接或者机械式连接方式填充到中空箱梁结构的中空部分，从而形成轻质高强复合材料的整体结构。

2.根据权利要求1所述的一种轻质高强复合材料结构，其特征在于所述连续纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或多种组成；所述树脂采用热塑性或热固性树脂。

3.根据权利要求2 所述的一种轻质高强复合材料结构，其特征在于所述热塑性树脂可选用聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰胺、聚酰亚胺中的任意一种或多种；所述的热固性树脂选用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、脲醛树脂、有机硅树脂、呋喃树脂中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种轻质高强复合材料结构，其特征在于所述中空箱梁结构及支撑芯采用复合材料拉挤成型工艺、编织拉挤成型工艺、模压或浇注成型工艺生产。