一種泡沫夾芯三明治結構復合材料及其制備方法

專利名稱：一種泡沫夾芯三明治結構復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及復合材料領域，具體是一種泡沫夾芯三明治結構復合材料及其制備方法。
背景技術：
泡沫夾芯三明治結構復合材料是由低密度、閉孔材料如閉孔泡沫塑料作為夾芯層和纖維織物組成的上下表面層形成夾芯結構，放在真空模具中，注入樹脂，固化脫模，可形成多種樣式的產品，有多種用途，例如船殼，冷凍掛車等。泡沫夾芯層起到分離和穩定結構表層，抵抗剪切力和壓力的作用，同時可以提供一個絕熱環境。在泡沫內夾芯層和泡沫夾芯層與表面層之間，可以通過提高增強材料之間的相互聯系和支持作用來提高夾芯板的結構性能。另外，對壓力提供多種分配途徑可以提高材料抵抗彎曲應力的能力，防止表面層與夾 芯層產生相對滑動。三明治夾芯材料的結構性能可通過在夾芯中添加纖維增強材料而明顯得到提高，同時也提高了夾芯的強度和夾芯與表層的連接，如美國專利US5834082展示的那樣。粘性樹脂(例如乙烯酯，不飽和聚酯，環氧樹脂)在壓力差下可以到達上下表面層和夾芯層的強化材料中。在注入樹脂時，因為泡沫夾芯層的閉孔結構，樹脂不會浸入到泡沫夾芯中。之后樹脂固化，形成一個整體性的結構。現有的用纖維織物強化夾芯層產品比沒有強化的在性能上有很大的提高，但是不能很好的把夾芯層中獨立的強化元素整合成一個單一的，內部相互支持的結構。用玻璃纖維、碳纖維或其他纖維縫合構成的縫合支柱型內芯強化材料，縫合支柱在夾芯與表面之間延展，同一平面內的縫合支柱可與其他縫合支柱相交，形成一個格子式的結構，從而對每個縫合支柱都提供了彎曲支持，但是這種支持只體現在縫合支柱排的那一個面內。為了達到雙向增強，第一排的縫合支柱必須延伸到與之交叉的縫合支柱排內的支柱纖維內。這需要高成本的精度和機械控制，因為所有的支柱在三維內必須有精確地定位。

發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種料質輕，抗彎曲強度和抗壓強度好的整體式泡沫夾芯三明治結構復合材料及其制備方法，本發明樹脂可以從夾芯層的中間層注入，注入速率高。實現本發明目的所采用的技術方案包括—種泡沫夾芯三明治結構復合材料,包括上表面層、下表面層和位于上、下表面層之間的泡沫夾芯層，其特征在于，所述上表面層和下表面層均是由層狀纖維織物疊合而成；所述泡沫夾芯層是由多條泡沫條、泡沫板或泡沫塊排列組成；該泡沫夾芯層的相鄰泡沫條或相鄰泡沫板之間夾放有平行排列的片式纖維織物，在每兩條泡沫條中部面上開設有平行于表面層的樹脂溝槽，樹脂溝槽與縱向貫穿整個泡沫夾芯層樹脂補給槽相交；縫合粗紗將上表面層、下表面層和泡沫夾芯層縫合成一個整體結構。為進一步實現本發明目的，所述縫合粗紗將上表面層、下表面層和泡沫夾芯層縫合成一個整體結構是縫合粗紗以相對于上下表面層銳角45度交叉對立縫合或者采用45度角單角度縫合；交叉對立縫合是指縫合粗紗形成的兩條縫合線關于過交叉點的垂直于上下表面的垂線軸對稱；所述45度角單角度縫合是指縫合粗紗形成的縫合線間隔地與上下表面成45度角。所述層狀纖維織物為玻璃纖維、碳纖維或粗紗，所述條狀泡沫條或塊狀泡沫板均為硬質閉孔泡沫塑料；所述硬質閉孔泡沫塑料優選為密度32kg/m3-80kg/m3的聚亞酰胺、聚氯乙烯、聚乙烯或聚甲基丙烯酸酯。所述片式纖維織物以連續的幾字形、斜幾字形或者鋸齒形平行排列，并且與上表面層和下表面層之間的夾角均為銳角或直角。所述銳角優選為45°或58°。所述樹脂溝槽的橫切面為矩形；所述樹脂補給槽的橫切面為矩形。所述泡沫夾芯層是由兩塊泡沫板疊合而成。一種泡沫夾芯三明治結構復合材料的制備方法，包括如下步驟(I)將條狀泡沫條或塊狀泡沫板疊合，在相鄰泡沫條之間或泡沫板之間夾放片式纖維織物，形成泡沫夾芯層；(2)將層狀纖維織物層疊后，并分別置于上述泡沫夾芯層的上表面和下表面，形成泡沫夾芯三明治結構，然后縫合形成整體；(3)在真空條件下，向步驟(2)中所得到的整體結構中注入樹脂，待樹脂充分浸潰該整體結構后，固化脫模，即得到泡沫夾芯三明治結構復合材料。所述樹脂為不飽和樹脂、乙烯基樹脂、酚醛樹脂和環氧樹脂中的任意一種或多種。步驟(3)中樹脂通過樹脂補給溝槽進入到泡沫條或泡沫板上的樹脂溝槽，經夾芯層的纖維織物和縫合粗紗快速的流動，滲透到泡沫夾芯層結構中，最后到達上下兩表面層， 得到泡沫夾芯三明治結構復合材料。所述泡沫夾芯層由多條均纏繞有粗紗的泡沫條疊合而成，纏繞時可以用角度大小相同方向相反的粗紗纏繞兩次，纏繞角度可以是45°，如果需要進一步增強，可沿著泡沫條縱向在纏繞粗紗之前先覆蓋一層粗紗，可以只覆蓋一面，或者覆蓋多面，用這種纏繞條形成夾芯層可以不用縫合支柱增強，纏繞條的制造是在纏繞設備中進行的。與現有技術相比，本發明具有如下優點和有益效果(I)本發明泡沫條或泡沫板上開有平行于上下表面層的樹脂溝槽，該樹脂溝槽與貫穿于整個夾芯層的樹脂補給溝槽交叉，樹脂補給溝槽的截面要比樹脂溝槽大或相同，樹脂補給溝槽開在夾芯層中間面上。上述技術措施有助于樹脂均勻滲入泡沫夾芯層以及上表面層和下表面層，進而形成一個整體，增強復合材料的抗彎曲強度和抗壓強度。(2)本發明的復合材料是采用混合增強形式，利用纖維織物和縫合粗紗增強，大大提高材料的抗彎曲強度和抗壓強度。因為纖維織物和縫合粗紗在夾芯泡沫條之間延展，在橫向和豎直方向上都能給予復合材料一定的強度和硬度支持。纖維織物與縫合粗紗相互交叉，相互支持。另外，突出夾芯表面的縫合支粗紗纖維織物與表面層相交，增強了夾芯層與表面層的連接。縫合機制防止了表層和內芯出現相互滑動；(3)制備的復合材料質輕，強度高，應用廣泛；
(4)工藝簡單本發明中夾芯結構的制備可以在縫合設備中進行，夾芯層成型和縫合一次完成。應用真空輔助樹脂轉移成型技術，復合材料一次成型，且樹脂可以從夾芯層的中間層注入，大大提高了注入速率，節省了時間；(5)材料的成本低可以用一般的纖維粗紗來代替用于增強作用的纖維織物和表層增強材料，代替以成本較高的機織物或手工織物。


圖I為實施例I復合材料的俯視圖；圖2為實施例2復合材料的側視切面圖；圖3為實施例3復合材料的側視切面圖；圖4為實施例4復合材料的側視切面圖； 圖5為實施例5復合材料的側視切面圖；圖6是實施例7復合材料的側視切面圖；圖7是實施例8纏繞條的俯視圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明作進一步具體詳細描述，但本發明的實施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參數，可參照常規技術進行。實施例I該實施例泡沫夾芯三明治結構復合材料的結構如圖I所示，上表面層I和下表面層2均由八層玻璃纖維織物疊合而成，上表面層I和下表面層2的上四層和下四層之間用環氧樹脂粘性隔層9隔開形成外表面層I. I’、內表面層I. 2’，泡沫夾芯層3由多條泡沫條4平行排列(圖中為左右方向平行排列)，泡沫條之間夾有片狀玻璃纖維織物5，片狀玻璃纖維織物5與上表面層I和下表面層2的夾角為直角；在每兩條泡沫條4中部面上開設有平行于表面層的矩形截面樹脂溝槽6 (圖中為前后方向，橫切面)，樹脂溝槽6與縱向貫穿整個泡沫夾芯層3矩形截面樹脂補給槽7 (圖中為左右方向，橫切面)相交，優選垂直相交。用縫合粗紗8將上表面層I、下表面層2和泡沫夾芯層3縫合成一個整體結構，以相對于上下表面層銳角45度交叉對立縫合，交叉對立縫合是指縫合粗紗8形成的兩條縫合線關于過交叉點的垂直于上下表面的垂線軸對稱；泡沫條4注入樹脂固化后，縫合粗紗8在樹脂作用下起到支柱的作用。將縫合好的夾芯結構放入真空模具中，采用真空輔助樹脂轉移技術注入樹脂。外表面層I. I’的內表面涂有起封閉作用的樹脂形成粘性隔層9 ;縫合粗紗末端10在上表面層I和下表面層2中突出內表面層I. 2’，在壓力下,縫合粗紗末端10往內表面層I. 2’貼近；泡沫夾芯層3注入樹脂后，樹脂通過泡沫條4泡沫夾芯層3滲透到內表面層I. 2’，縫合粗紗末端10被溜平，在外表面層I. I’看不到縫合粗紗末端10。本實施例也可在上表面層I和下表面層2不設外表面層I. I’、內表面層I. 2’，縫合粗紗末端10可以突出上表面層I和下表面層2的表面。泡沫夾芯三明治結構復合材料的制備方法，包括如下步驟(I)將條狀泡沫條4疊合，在相鄰泡沫條之間夾放片式纖維織物5，形成泡沫夾芯層；
(2)將層狀纖維織物層疊后，并分別置于上述泡沫夾芯層的上表面I和下表面2，形成泡沫夾芯三明治結構，用縫合粗紗8縫合形成整體；(3)在真空條件下，向步驟(2)中所得到的整體結構中注入樹脂，樹脂通過連在樹脂源頭的橡膠管進入樹脂補給溝槽7，再進入樹脂溝槽6，進而滲透到夾芯層內部增強結構中，最后到達上表面層I和下表面層2，固化成型。待樹脂充分浸潰該整體結構后，固化脫模，即得到泡沫夾芯三明治結構復合材料。樹脂優選不飽和樹脂、乙烯基樹脂、酚醛樹脂和環氧樹脂中的任意一種或多種。實施例2如圖2所示，該實施例復合材料的結構同圖I相似，片狀玻璃纖維織物5與上表面層I和下表面層2的夾角為45度，泡沫條4的橫截面是平行四邊形，采用45度角單角度縫合(縫合粗紗8形成的縫合線間隔地與上下表面成45度角，沒有交叉)，這樣就可以大大的提聞生廣效率。
實施例3如圖3所示，該實施例復合材料的結構同圖I基本相同，只是泡沫夾芯層3中用于增強的玻璃纖維織物是連續的，呈連續的幾字型在兩表面層之間延展，這很大程度的提高了纖維織物11與表面層1、2接觸面積，在橫向上也給縫合粗紗8更多的支持。實施例4如圖4所示，該實施例復合材料的結構同圖3基本相同，只是泡沫條4之間所夾的連續纖維織物11與上下表面層呈58°，泡沫條截面為平行四邊形，采用58度角單角度縫
八
口 ο實施例5如圖5所示，該實施例復合材料的結構同圖3基本相同，只是泡沫條4之間的連續纖維織物11與上下表面層的夾角是60度，泡沫條4的橫截面是三角形，該實施例的強度和硬度會進一步提聞。實施例6該實施例復合材料的結構同圖I基本相同，只是泡沫夾芯層3是由兩塊泡沫板疊合而成，泡沫板之間夾有纖維織物5。實施例7如圖6所示，其整體結構與圖I相似，只是采用了與圖1、3、5、6、7交叉對立縫合不同的一種縫合方式。縫合粗紗8以簡單的三角形結構縫合，在靠近上表面層I或下表面層2處交叉，并通過上表面層I和下表面層2。縫合粗紗8 一面穿過泡沫夾芯層3到達另一面，在表面形成一個環狀突出13，再沿著原來的嵌入路線縫合回去。環形突出13在壓力作用下傾斜并靠近上表面層I或下表面層2，注入樹脂時，被溜平。如果在注入樹脂之前加一外表面層，就可以進一步增強縫合粗紗8與上表面層I和下表面層2的聯系；還可以把環狀突出13割斷或在泡沫夾芯層3表面開一些微小的溝槽，當注入樹脂時，使粗紗末端10嵌入到溝槽內。此縫合粗紗8是從兩表面開始縫合的，如果需要，可以從同一面開始縫合。實施例8如圖7所示，與實施例I不同的是泡沫條4的前后面和上下面設有纏繞條16，纏繞條16是由粗紗纏繞形成。纏繞條16分兩次以相反的角度螺旋纏繞在泡沫條4的外部，形成了外纏繞層18和內纏繞層17。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施 方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種泡沫夾芯三明治結構復合材料,包括上表面層、下表面層和位于上、下表面層之間的泡沫夾芯層，其特征在于，所述上表面層和下表面層均是由層狀纖維織物疊合而成；所述泡沫夾芯層是由多條泡沫條、泡沫板或泡沫塊排列組成；該泡沫夾芯層的相鄰泡沫條或相鄰泡沫板之間夾放有平行排列的片式纖維織物，在每兩條泡沫條中部面上開設有平行于表面層的樹脂溝槽，樹脂溝槽與縱向貫穿整個泡沫夾芯層樹脂補給槽相交；縫合粗紗將上表面層、下表面層和泡沫夾芯層縫合成一個整體結構。
2.根據權利要求I所述的復合材料，其特征在于，所述縫合粗紗將上表面層、下表面層和泡沫夾芯層縫合成一個整體結構是縫合粗紗以相對于上下表面層銳角45度交叉對立縫合或者采用45度角單角度縫合；交叉對立縫合是指縫合粗紗形成的兩條縫合線關于過交叉點的垂直于上下表面的垂線軸對稱；所述45度角單角度縫合是指縫合粗紗形成的縫合線間隔地與上下表面成45度角。
3.根據權利要求I所述的復合材料，其特征在于，層狀纖維織物為玻璃纖維、碳纖維或粗紗，所述條狀泡沫條或塊狀泡沫板均為硬質閉孔泡沫塑料；所述硬質閉孔泡沫塑料為密度32kg/m3-80kg/m3的聚亞酰胺、聚氯乙烯、聚乙烯或聚甲基丙烯酸酯。
4.根據權利要求I所述的復合材料，其特征在于，所述片式纖維織物以連續的幾字形、斜幾字形或者鋸齒形平行排列，并且與上表面層和下表面層之間的夾角均為銳角或直角。
5.根據權利要求4所述的復合材料，其特征在于，所述銳角為45°或58°。
6.根據權利要求I所述的復合材料，其特征在于，所述樹脂溝槽的橫切面為矩形；所述樹脂補給槽的橫切面為矩形。
7.根據權利要求I所述的復合材料，其特征在于，所述泡沫夾芯層是由兩塊泡沫板疊合而成。
8.—種泡沫夾芯三明治結構復合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)將條狀泡沫條或塊狀泡沫板疊合，在相鄰泡沫條之間或泡沫板之間夾放片式纖維織物，形成泡沫夾芯層； (2)將層狀纖維織物層疊后，并分別置于上述泡沫夾芯層的上表面和下表面，形成泡沫夾芯三明治結構，然后縫合形成整體； (3)在真空條件下，向步驟(2)中所得到的整體結構中注入樹脂，待樹脂充分浸潰該整體結構后，固化脫模，即得到泡沫夾芯三明治結構復合材料。
9.根據權利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述樹脂為不飽和樹脂、乙烯基樹月旨、酚醛樹脂和環氧樹脂中的任意一種或多種。
全文摘要
本發明公開了一種泡沫夾芯三明治結構復合材料及其制備方法，該復合材料包括上表面層、下表面層和位于上、下表面層之間的泡沫夾芯層，上表面層和下表面層均是由層狀纖維織物疊合而成；所述泡沫夾芯層是由多條泡沫條、泡沫板或泡沫塊排列組成；該泡沫夾芯層的相鄰泡沫條或相鄰泡沫板之間夾放有平行排列的片式纖維織物，在每兩條泡沫條中部面上開設有平行于表面層的樹脂溝槽，樹脂溝槽與縱向貫穿整個泡沫夾芯層樹脂補給槽相交；縫合粗紗將上表面層、下表面層和泡沫夾芯層縫合成一個整體結構。發明提供的復合材料質輕，強度高，其制備工藝簡單，復合材料一次成型，且樹脂可以從夾芯層的中間層注入，提高了注入速率。
文檔編號B32B27/12GK102825879SQ2012103089
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月27日 優先權日2012年8月27日
發明者蔡智奇, 韓太亮, 皮丕輝, 徐守萍, 文秀芳, 程江, 楊卓如 申請人:華南理工大學