一种三维增强夹心复合材料及其制备方法

1.本发明属于复合材料成型技术领域，具体涉及一种环向纤维缠绕制备三维增强夹心复合材料及其成型方法。


背景技术：

2.三维编织可以三个方向增强，但编织工艺复杂，且成本很高；纤维布三面铺放虽然也可以起到三向增强的效果，但纤维不是连续的，且强度有影响，同时纤维布也需要进行2d编织，由此也会增加成本。
3.缠绕工艺分为环向缠绕、纵向缠绕、螺旋缠绕三大类，其中螺旋缠绕线型和操作系统都复杂，需要特定的程序操作完成，导致能实现螺旋缠绕的缠绕机成本大大提高，纵向缠绕仅适用于特定形状制品(如球形)的成型，应用范围较窄，缠绕机成本也较高。
4.现有三向增强复合材料多采用三维编织纤维作为增强相，而三维编织需要配制价格昂贵且操作复杂的三维编织机，同时三维编织过程会对纤维有较大的磨损，会造成超过30％的强度损耗，无法发挥其更高的强度。


技术实现要素：

5.本发明目的是提供一种三维增强夹心复合材料的成型方法，采用简单的环向纤维缠绕工艺实现三个方向加强，降低传统三维增强织物的加工难度和成本，同时获得理想的力学性能。
6.为实现上述目的，本发明提供一种三维增强夹心复合材料的制备方法，包括以下步骤：
7.s1、在方体泡沫第一表面、第二表面开设十字形凹槽，所述第二表面位于所述第一表面的背面，得到泡沫夹心结构；
8.s2、分别以所述十字形凹槽相垂直的两个凹槽中线为y轴和z轴，首先以y轴为缠绕轴；在所述泡沫夹心结构的十字形凹槽内环向缠绕纤维，再换z轴为缠绕轴，在所述泡沫夹心结构的十字形凹槽内环向缠绕纤维；以十字形凹槽的槽底所在平台中心垂线作为x轴，并以x轴为缠绕轴，所述平台侧边外周缠绕纤维；
9.s3、在所述十字形凹槽内填入一层十字形泡沫填补层；
10.s4、沿所述泡沫夹心结构十字形凹槽的槽壁形成的h字形面棱柱的长度方向贴预浸料；
11.s5、重复步骤s1-s4至所述十字形凹槽填为平面，经加温加压固化成型，即得三维增强夹心复合材料。
12.优选的，步骤s2中所述纤维为浸渍过树脂的纤维。
13.优选的，步骤s3中所述十字形泡沫填补层的一个十字形表面的中心相交处设有与十字形等宽的方形槽，深度为1层纤维厚度；填补时所述十字形泡沫填补层设有方形槽的一面向内。
14.优选的，步骤s4中所述预浸料为中间单层且左右两端为双层的碳纤维增强环氧树脂基预浸料。
15.优选的，步骤s4中所述预浸料铺贴时所述单层位于所述平台，所述双层分别对称贴于所述平台两侧对应的棱柱上。
16.优选的，步骤s5中所述固化成型的条件为25-200℃，压力0.1-0.3mpa。
17.本发明提供一种三维增强夹心复合材料，包括泡沫夹心结构，所述泡沫夹心结构第一表面、第二表面设有十字形凹槽，所述第二表面位于所述第一表面的背面；十字形凹槽内通过缠绕纤维和填入十字形泡沫填补层交替铺设直至填平凹槽，沿所述泡沫夹心结构十字形凹槽的槽壁形成的h字形面棱柱的长度方向贴有预浸料；再通过固化成型得到的三维增强夹心复合材料。
18.优选的，所述纤维为浸渍过树脂的纤维，所述预浸料为中间单层且左右两端为双层的碳纤维增强环氧树脂基预浸料；所述单层贴在所述平台上，所述双层分别对称贴于所述平台两侧对应的棱柱上。
19.优选的，所述十字形凹槽的槽底所在平台侧边外周缠绕纤维。
20.优选的，所述十字形泡沫填补层的一个十字形表面的中心相交处设有与十字形等宽的方形槽，深度为1层纤维厚度；填补时所述十字形泡沫填补层设有方形槽的一面向内。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果：
22.本发明制备的连续纤维、三向增强的夹心复合新结构材料板，能充分发挥碳钎维的强度，且成型工艺简单，成本低，相同体积下重量是泡沫材料的1.71倍，而纵向模量和横向模量均是泡沫材料的37.64倍；并且较cfrp减重54.4％，横向模量是cfrp的2.74倍。
附图说明
23.图1是本发明泡沫夹心侧面结构示意图；
24.图2是本发明泡沫夹心正面结构示意图；
25.图3是本发明新结构材料泡沫填补层的结构示意图；
26.图4是本发明新结构材料预浸料平面的示意图；
27.图5是本发明新结构材料泡沫夹心结构的右视图；
28.图6是本发明新结构材料泡沫夹心结构的正视图；
29.图7是本发明新结构材料泡沫夹心结构的俯视图；
30.图8是本发明新结构材料的预浸料与泡沫夹心复合的结构示意图；
31.图9是本发明六通接口示意图；
32.图10是本发明制备材料与泡沫、cfrp的横、纵向模量对比统计图；
33.图11是本发明制备新结构材料经过固化成型得到的成品示意图。
具体实施方式
34.以下结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不以任何方式限制本发明。
35.下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法、检
测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法、检测方法等。
36.如附图1-2所示，是本发明新结构材料的泡沫夹心，如附图3所示，是泡沫填补层，泡沫夹心的两面开设有“十”字形槽，泡沫填补层为“十”字形泡沫板材，其单层厚度t，横切面边长ly，lz。
37.如附图4所示，预浸料单层y向、z向长度分别为y、z，预浸料铺放在泡沫夹心的“h”字形面的两角边，预浸料中间单层部分长l+2(n-1)(t+d)，双层部分共长l-(l+2(n-1)(t+d))。预浸料为碳纤维增强环氧树脂基预浸料，或其他纤维和树脂的预浸料。
38.如附图5-7所示，泡沫夹心的“h”字形面的长边长为l，短边长分别为z、y，缠绕/夹心完成后产品三边尺寸分别为l、m、k。
39.根据所需新型结构的尺寸要求，设计n层缠绕，绕x轴缠绕时，每一层缠绕宽度为cx＝l+2(n-1)(t+d)，绕y轴缠绕时，每一层缠绕宽度为cy＝ly，绕z轴缠绕时，每一层缠绕宽度为cz＝lz；准备n块预浸料，宽度为q
y+z
＝y+z，中间单层，两侧双层，每块预浸料中间单层部分长为q
x1
＝l+2(n-1)(t+d)，两侧双层部分长为q
x2
＝l-(l+2(n-1)(t+d))，准备预浸料时，先裁剪一块长度为q
x1
+2q
x2
，宽度为q
y+z
的单层预浸料，再裁剪两块长度为q
x2
，宽度为q
y+z
的单层预浸料，并铺贴到第一块预浸料的两端；准备n块厚度为t的“十”字泡沫填补层，中间矩形区域内凹深度为d，y向的宽度和单侧长度分别为ly和y+2nd，z向的宽度和单侧长度分别为lz和z+2nd，缠绕层、预浸料层、泡沫层尺寸关系如表1所示：
40.表1缠绕层、预浸料层、泡沫层尺寸关系
[0041][0042][0043]
具体方法包括以下步骤：
[0044]
0、如附图9所示，以泡沫夹心结构为模具，模具中心嵌入六通接口，用于螺纹拧入三个方向六根缠绕轴；
[0045]
1、首先以y轴为缠绕轴，在泡沫夹心结构的“十”字槽内环向缠绕1层ly宽度的浸渍过树脂的纤维；
[0046]
2、换z轴为缠绕轴，在泡沫夹心结构的“十”字槽内环向缠绕1层lz宽度的浸渍过树脂的纤维；
[0047]
3、换x为缠绕轴，在x方向中间位置(如图8虚线区域)缠绕1层l宽度的浸渍过树脂的纤维；
[0048]
4、此时，泡沫夹心结构的六面中心已缠绕正交2层纤维厚度为2d，其他缠绕位置为1层纤维厚度为d；
[0049]
5、泡沫夹心结构的“十”字槽内，分别放入一层“十”字泡沫填补层，如附图9所示，泡沫填补层中间有内凹的面贴近缠绕层；
[0050]
6、“十”字泡沫填补层四个截面均高出泡沫夹心结构“十”字槽2d，与泡沫夹心结构的中心缠绕面处于平面状态；
[0051]
7、在泡沫夹心结构的“h”字形面的四条棱上，均贴上中间单层两边双层的预浸料(如图8条纹部分)；单层面整体铺贴到泡沫夹芯结构中间平台上，双层面分别贴在堆成的棱柱上。
[0052]
8、重复以上1-7步操作n次；
[0053]
9、泡沫夹心结构的“十”字槽内由2n层缠绕层和n层“十”字泡沫填补层组成；
[0054]
10、泡沫夹心结构的“h”字形面方向由2n层缠绕层和n片预浸料层组成；
[0055]
11、六个表面均为平面，可以根据需要在外表面继续环向缠绕几层复合材料；
[0056]
12、缠绕后去掉六根轴，缠绕轴附近的纤维在缠绕张力的作用下弥合成一体，对此三维夹心材料进行加温加压固化成型，即成型为块体结构材料。
[0057]
其中，加温加压在热压罐内进行，根据树脂的固化温度(室温25-200℃)及泡沫耐温情况而定，压力0.1-0.3mpa。
[0058]
实施例1
[0059]
l＝10mm,ly＝10mm,lz＝10mm,y＝10mm,z＝10mm,t＝2mm,d＝1mm,lz＝10mm,ly＝10mm,n＝2，泡沫材料密度0.4g/cm3，复合材料密度1.5g/cm3。
[0060]
根据表1的尺寸关系计算得：
[0061]
l＝l+n(t+d)＝16mm
[0062]
m＝lz+2z＝30mm
[0063]
k＝ly+2y＝30mm
[0064]v总
＝l
×m×
k＝14.4cm3[0065]
复合材料层体积(包括缠绕层及预浸料层)：v1＝nmkd＝1.8cm3，v2＝nlkd＝0.96cm3，v3＝lmnd＝0.96cm3，
[0066]v复合材料
＝v
1+v2
+v3＝3.72cm3[0067]
泡沫材料体积(包括泡沫夹心结构和泡沫填补层)v
泡沫
＝v
总-v
复合材料
＝10.68cm3[0068]
因此，相同体积的cfrp重21.6g，泡沫材料重5.76g，本发明的新结构材料重9.85g，经过试验测试，cfrp纵向模量100gpa，横向模量9.6gpa，泡沫材料纵向模量0.7gpa，横向模量0.7gpa，本发明的新结构材料纵向模量26.35gpa，横向模量26.35gpa。可以看出，相同体积的本发明新结构材料重量是泡沫材料的1.71倍，而纵向模量和横向模量均是泡沫材料的37.64倍；新结构材料较cfrp减重54.4％，横向模量是cfrp的2.74倍。
[0069]
如附图10所示，本发明横、纵向模量统计图，可以看出虽然cfrp纵向模量较高，但其横向模量较低，是典型的各向异性材料，本发明的新结构横向模量和纵向模量一致，且具有较轻的重量和较高模量，是一种有应用前景的新结构形式。
[0070]
对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作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、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。

技术特征：
1.一种三维增强夹心复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、在方体泡沫第一表面、第二表面开设十字形凹槽，所述第二表面位于所述第一表面的背面，得到泡沫夹心结构；s2、分别以所述十字形凹槽相垂直的两个凹槽中线为y轴和z轴，首先以y轴为缠绕轴；在所述泡沫夹心结构的十字形凹槽内环向缠绕纤维，再换z轴为缠绕轴，在所述泡沫夹心结构的十字形凹槽内环向缠绕纤维；以十字形凹槽的槽底所在平台中心垂线作为x轴，并以x轴为缠绕轴，所述平台侧边外周缠绕纤维；s3、在所述十字形凹槽内填入一层十字形泡沫填补层；s4、沿所述泡沫夹心结构十字形凹槽的槽壁形成的h字形面棱柱的长度方向贴预浸料；s5、重复步骤s1-s4至所述十字形凹槽填为平面，经加温加压固化成型，即得三维增强夹心复合材料。2.根据权利要求1所述的三维增强夹心复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中所述纤维为浸渍过树脂的纤维。3.根据权利要求1所述的三维增强夹心复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s3中所述十字形泡沫填补层的一个十字形表面的中心相交处设有与十字形等宽的方形槽，深度为1层纤维厚度；填补时所述十字形泡沫填补层设有方形槽的一面向内。4.根据权利要求1所述的三维增强夹心复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s4中所述预浸料为中间单层且左右两端为双层的碳纤维增强环氧树脂基预浸料。5.根据权利要求4所述的三维增强夹心复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s4中所述预浸料铺贴时所述单层位于所述平台，所述双层分别对称贴于所述平台两侧对应的棱柱上。6.根据权利要求1所述的三维增强夹心复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s5中所述固化成型的条件为25-200℃，压力0.1-0.3mpa。7.一种权利要求1-6任一制备方法制备的三维增强夹心复合材料，其特征在于，包括泡沫夹心结构，所述泡沫夹心结构第一表面、第二表面设有十字形凹槽，所述第二表面位于所述第一表面的背面；十字形凹槽内通过缠绕纤维和填入十字形泡沫填补层交替铺设直至填平凹槽，沿所述泡沫夹心结构十字形凹槽的槽壁形成的h字形面棱柱的长度方向贴有预浸料；再通过固化成型得到的三维增强夹心复合材料。8.根据权利要求7所述的三维增强夹心复合材料的制备方法，其特征在于，所述纤维为浸渍过树脂的纤维，所述预浸料为中间单层且左右两端为双层的碳纤维增强环氧树脂基预浸料；所述单层贴在所述平台上，所述双层分别对称贴于所述平台两侧对应的棱柱上。9.根据权利要求7所述的三维增强夹心复合材料的制备方法，其特征在于，所述十字形凹槽的槽底所在平台侧边外周缠绕纤维。10.根据权利要求7所述的三维增强夹心复合材料的制备方法，其特征在于，所述十字形泡沫填补层的一个十字形表面的中心相交处设有与十字形等宽的方形槽，深度为1层纤维厚度；填补时所述十字形泡沫填补层设有方形槽的一面向内。

技术总结
本发明公开一种三维增强夹心复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1、在方体泡沫相对应的两面开设十字形凹槽，得到泡沫夹心结构；S2、依次沿十字形凹槽Y、Z、十字形凹槽所在平面中心垂线X轴环向缠绕纤维；S3、在十字形凹槽内填入十字形泡沫填补层；S4、在泡沫夹心结构的H字形面的棱柱上贴预浸料；S5、重复步骤S1-S4至十字形凹槽填为平面，经加温加压固化成型，即得三维增强夹心复合材料。本发明制备的夹心复合新结构材料板，能充分发挥碳钎维的强度，相同体积下重量是泡沫材料的1.71倍，而纵向模量和横向模量均是泡沫材料的37.64倍；并且较CFRP减重54.4％，横向模量是CFRP的2.74倍。横向模量是CFRP的2.74倍。横向模量是CFRP的2.74倍。


技术研发人员：刘新 尹文轩 武湛君 陈铎
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/31