一種增強型復合材料泡沫夾芯筒及其制備方法與流程

本發明屬于纖維增強樹脂基復合材料技術領域，涉及一種纖維增強樹脂基復合材料夾芯結構中以泡沫為夾芯層的筒/柱狀結構件，尤其是一種增強型復合材料泡沫夾芯筒及其制備方法。

背景技術：

工程領域內應急支撐構件一般采用金屬材料制作，其自重大、人工搬運與作業不方便。纖維增強樹脂基復合材料具有質量輕、強度大、耐腐蝕等特征，由其作為蒙皮，然后在兩蒙皮中間用密度低、厚度大的芯層隔開所構成的復合材料夾芯結構具有抗彎剛度大的獨特優勢，且兼有吸能、隔熱等功能性特點，使其在諸多領域得到了廣泛的應用。

與諸多復合材料夾芯結構相比，泡沫夾芯結構具有制備工藝簡單、成本低廉等優勢，適合在土木工程領域內推廣使用。復合材料泡沫夾芯筒可以制備支撐柱而在土木工程應急救援領域使用。在軸向荷載作用下，由于泡沫材料的剛度較低，對復合材料蒙皮的支撐能力較弱，復合材料蒙皮容易發生局部屈曲，而且泡沫夾芯結構的面芯結合強度一般較弱，容易出現面芯脫粘。這兩種缺陷導致復合材料泡沫夾芯筒承載效率較低，無法滿足大承載要求。且目前復合材料泡沫夾芯筒的制備工藝以手糊工藝為主，只能制作小尺寸構件，且性能不穩定，操作復雜。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是，克服現有技術的缺點，提供一種增強型復合材料泡沫夾芯筒及其制備方法，本發明克服了復合材料泡沫夾芯筒面芯脫粘與面板局部屈曲的問題，提供一種在不顯著提升結構自重的前提下，大幅度提升復合材料夾芯筒的承載效率的增強型復合材料泡沫夾芯筒，同時提供一種操作簡單、成本低廉、性能穩定的增強型復合材料泡沫夾芯筒的制備方法。

為了解決以上技術問題，本發明提供一種增強型復合材料泡沫夾芯筒，包括復合材料外蒙皮、復合材料內蒙皮，以及設置在兩者之間的圓筒形芯層，芯層的內、外兩側表面上均勻分布有若干凹槽，且凹槽中安裝有復合材料筋條，凹槽與復合材料筋條沿芯層的軸向方向設置。

本發明進一步限定的技術方案是：

前述芯層為泡沫材料制成，且芯層由至少三塊泡沫圓弧片環向拼接而成。

前述復合材料外蒙皮和復合材料內蒙皮均由纖維增強樹脂基復合材料構成，纖維增強樹脂基復合材料包括第一增強材料和樹脂。第一增強材料包括玻璃纖維雙軸布、玻璃纖維多軸布、碳纖維雙軸布、碳纖維多軸布、玄武巖纖維布和芳綸纖維布中的一種或多種。

前述復合材料筋條為單向纖維增強樹脂基復合材料構成，單向纖維增強樹脂基復合材料包括第二增強材料和樹脂。第二增強材料包括單向玻璃纖維布、玻璃纖維絲、單向碳纖維布、碳纖維絲、單向玄武巖纖維布、玄武巖纖維絲、單向芳綸纖維布和芳綸纖維絲中的一種或多種。

前述樹脂包括環氧樹脂、乙烯基樹脂、酚醛樹脂和聚氨酯樹脂中的一種或多種。

前述泡沫圓弧片為PVC泡沫、PMI泡沫、PU泡沫或PEI泡沫。

前述復合材料外蒙皮和合材料內蒙皮的厚度相同，復合材料筋條的圓周寬度略小于凹槽的寬度、其徑向寬度與凹槽的深度相同。

增強型復合材料泡沫夾芯筒的內半徑為100-500mm；增強型復合材料泡沫夾芯筒的高度為1000-4000mm；復合材料內蒙皮與復合材料外蒙皮的厚度相同，厚度為10-20mm；泡沫圓弧片的厚度為10-60mm；凹槽的寬度為4-20mm，深度為2-10mm；復合材料筋條的圓周寬度比凹槽小1mm，徑向寬度與凹槽深度相同。

本申請中復合材料內蒙皮、復合材料外蒙皮、泡沫圓弧片、筋條的尺寸和材料均可按照實際要求進行選定與設計。

進一步的，

本發明還提供了一種增強型復合材料泡沫夾芯筒的制備方法，包括如下具體步驟：

㈠準備泡沫圓弧片：預先在泡沫圓弧片內、外側表面上進行刻槽處理，用于放置復合材料筋條；

㈡加筋：直接在泡沫圓弧片內、外側表面的凹槽內布置單向纖維布，或者在泡沫圓弧片內、外側表面的凹槽內布置已固化的纖維增強樹脂基復合材料筋條；

㈢準備預成型體：首先在增強型復合材料泡沫夾芯筒模具上涂抹脫模劑，然后在模具上依次包裹內蒙皮的增強材料、加筋后的圓筒形芯層、外蒙皮的增強材料，得到預成型體；

㈣組裝VARI成型系統：在步驟㈢得到的預成型體上，依次纏繞脫模布、導流網，并布置樹脂導流管、抽氣管，然后將上述預成型體、脫模布及導流網用真空袋封裝，并布置樹脂導流管、抽氣管包裹覆蓋，形成密封環境；

㈤注膠與共固化：抽真空，檢查氣密性完好后灌注調配好的樹脂，固化成型。

㈥后處理：采用頂推法將模具從固化后的成型體中取出來，脫除成型體上的真空袋、導流管、導流網、及脫模布，即可得到增強型復合材料泡沫夾芯筒。

本發明的有益效果是：

本發明在復合材料內、外蒙皮與泡沫圓弧片表面之間引入了復合材料筋條，該復合材料筋條與復合材料內、外蒙皮、PVC泡沫經樹脂粘結固化，形成有機整體，該復合材料筋條可作為復合材料內、外蒙皮的加強筋，能夠有效的防止復合材料內、外蒙皮發生局部屈曲，更有效的將復合材料蒙皮的強度發揮出來。

并且，在泡沫圓弧片表面刻制了凹槽，且凹槽的圓周寬度比復合材料筋條的寬度大1mm，凹槽內空余的縫隙可作為VARTM成型中樹脂流動的通道，使樹脂更加均勻的浸潤增強材料，保證面、芯之間結合完好，進而提高了面、芯結合的強度；同時，凹槽內的復合材料筋條嵌入泡沫圓弧片內，與其形成機械咬合作用，使蒙皮與泡沫圓弧片連接更加緊密；因此引入復合材料筋條后，可賦予增強型復合材料泡沫夾芯筒很高的面、芯結合強度。此外，復合材料筋條其自身具備高強度比、高剛度比的特點，布置方向與受力方向一致，因此復合材料筋條自身能夠有效的分擔外荷載，起到提升增強型泡沫夾芯筒的整體承載能力效果。

本發明提供的制備方法中采用真空輔助樹脂灌注技術使復合材料蒙皮與復合材料筋條浸潤樹脂均勻，同時成型件的固化壓力均勻，保證了各組分緊密貼合，因此制成的增強型復合材料泡沫夾芯筒的面、芯結合效果好，無明顯缺陷，且該制備方法成本低廉、操作簡便。

本發明設計的增強型復合材料泡沫夾芯筒在復合材料蒙皮與芯層之間引入了復合材料筋條，能夠有效的克服復合材料面板局部屈曲與面芯脫粘的問題，能夠更好的發揮出復合材料高強度的優勢，達到提升承載效率的效果，從而滿足大承載的要求，擴大了其使用范圍。同時本發明中的制備方法操作簡便、成本低廉，制備的成品性能穩定。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

其中，1-復合材料外蒙皮，2-復合材料內蒙皮，3-復合材料筋條，4-芯層，5-凹槽。

具體實施方式

實施例1

本實施例提供一種增強型復合材料泡沫夾芯筒，結構如圖1所示，包括復合材料外蒙皮1、復合材料內蒙皮2，以及設置在兩者之間的圓筒形芯層4，芯層4的內、外兩側表面上均勻分布有若干凹槽5，且凹槽5中安裝有復合材料筋條3，凹槽5與復合材料筋條3沿芯層4的軸向方向設置。

前述芯層4為泡沫材料制成，且芯層4由四個圓心角為90°的泡沫圓弧片環向拼接而成。前述復合材料外蒙皮1和復合材料內蒙皮2均由纖維增強樹脂基復合材料構成，纖維增強樹脂基復合材料包括第一增強材料和樹脂。第一增強材料包括玻璃纖維雙軸布、玻璃纖維多軸布、碳纖維雙軸布、碳纖維多軸布、玄武巖纖維布和芳綸纖維布中的一種或多種。

前述復合材料筋條3為單向纖維增強樹脂基復合材料構成，單向纖維增強樹脂基復合材料包括第二增強材料和樹脂。第二增強材料包括單向玻璃纖維布、玻璃纖維絲、單向碳纖維布、碳纖維絲、單向玄武巖纖維布、玄武巖纖維絲、單向芳綸纖維布和芳綸纖維絲中的一種或多種。

前述樹脂包括環氧樹脂、酚醛樹脂和聚氨酯樹脂中的一種或多種。前述泡沫材料包括PVC泡沫、PMI泡沫、PU泡沫或PEI泡沫。前述復合材料外蒙皮1和復合材料內蒙皮2的厚度相同，復合材料筋條3的圓周寬度略小于凹槽5的寬度、其徑向寬度與凹槽5的深度相同。增強型復合材料泡沫夾芯筒的內半徑為100-500mm；增強型復合材料泡沫夾芯筒的高度為1000-4000mm；復合材料內蒙皮與復合材料外蒙皮的厚度相同，厚度為1-5mm；泡沫圓弧片的厚度為10-60mm；凹槽的寬度為4-20mm，深度為2-10mm；復合材料筋條的圓周寬度比凹槽小1mm，徑向寬度與凹槽深度相同。

本實施例在復合材料內、外蒙皮與泡沫圓弧片表面之間引入了復合材料筋條，該復合材料筋條與復合材料內、外蒙皮、PVC泡沫經樹脂粘結固化，形成有機整體，該復合材料筋條可作為復合材料內、外蒙皮的加強筋，能夠有效的防止復合材料內、外蒙皮發生局部屈曲，更有效的將復合材料蒙皮的強度發揮出來。

并且，在泡沫圓弧片表面刻制了凹槽，且凹槽的圓周寬度比復合材料筋條的寬度大1mm，凹槽內空余的縫隙可作為VARI成型中樹脂流動的通道，使樹脂更加均勻的浸潤增強材料，保證面、芯之間結合完好，進而提高了面、芯結合的強度；同時，凹槽內的復合材料筋條嵌入泡沫圓弧片內，與其形成機械咬合作用，使蒙皮與泡沫圓弧片連接更加緊密；因此引入復合材料筋條后，可賦予增強型復合材料泡沫夾芯筒很高的面、芯結合強度。此外，復合材料筋條其自身具備高強度比、高剛度比的特點，布置方向與受力方向一致，因此復合材料筋條自身能夠有效的分擔外荷載，起到提升增強型泡沫夾芯筒的整體承載能力效果。

實施例2

本實施例提供了一種增強型復合材料泡沫夾芯筒的制備方法，由復合材料內蒙皮、復合材料外蒙皮、夾在兩塊蒙皮之間的泡沫芯層、芯層與兩蒙皮之間的復合材料筋條所組成；增強型復合材料泡沫夾芯筒的高度為1000mm，內徑為200mm；復合材料內蒙皮、復合材料外蒙皮都是由玻璃纖維雙軸布增強樹脂基復合材料構成，厚度都為3mm；芯層由四塊圓心角為90°的泡沫圓弧片環向拼接而成，泡沫圓弧片片材料是密度為100kg/m³的PVC泡沫，厚度為40mm；凹槽的寬度為7mm，深度為4mm，兩凹槽間隔12°；復合材料筋條由玻璃纖維單向布增強樹脂基復合材料構成，寬度為6mm，厚度為4mm。

包括如下具體步驟：

㈠準備PVC泡沫圓弧片:刻有凹槽的PVC泡沫圓弧片由北京科拉斯有限公司提供，密度為100kg/m³，厚度為40mm；凹槽的寬度為7mm，深度為5mm，兩凹槽間隔12°，將泡沫圓弧片在烘箱內50℃通風環境下干燥4小時，備用。

㈡加筋：使用切布機將玻璃纖維單向布切割成多條長1000mm，寬6mm的窄布條，玻璃纖維單向布單層厚度為0.4mm，將切割好的窄布條一層一層鋪設在凹槽內，每個凹槽鋪設10層；或者：由單向玻璃纖維布與樹脂通過模壓工藝制成長為1000mm，寬為1000mm，厚度為4mm的平板，將所示平板切割成長1000mm，寬為6mm，厚度為4mm的筋條，然后將所述筋條放置在凹槽內。

㈢準備預成型體：在外徑為200mm的金屬空心模具筒上涂抹脫模劑，在模具上纏繞5層寬度為1000mm，厚度為0.6mm的玻璃纖維雙向布，并用纖維絲綁扎好，然后扣上加筋后的4塊PVC泡沫圓弧片并用纖維絲捆綁固定，最后再纏繞5層寬度為1000mm，厚度為0.6mm的玻璃纖維雙向布，并也用纖維絲綁扎好，得到預成型體；

㈣組裝VARI成型系統：在預成型體上，依次纏繞一層脫模布、導流網，并布置樹脂導流管、注膠嘴、抽氣管，然后用真空袋包裹覆蓋，形成一個密封環境；

㈤ 注膠與共固化：檢查VARI成型系統的氣密性，并及時調整；樹脂選用770V型乙烯基樹脂常溫樹脂，與固化劑和促凝劑按照100:1:1的重量比調配好；將抽氣管與真空泵相連，注膠嘴與注膠管相連并將注膠管插入樹脂體系，開啟真空泵，樹脂體系在負壓作用下通過注膠管、導流管、導流布均勻的分布在預成型體的各個角落，45分鐘左右后關閉真空泵，常溫下固化7小時。

㈥后處理：使用頂推法將模具從固化后的成型體中取出來，脫除成型體上的真空袋、導流管、導流網、脫模布，便可得到增強型復合材料泡沫夾芯筒。

本實施例提供的制備方法中采用真空輔助樹脂灌注技術使復合材料蒙皮與復合材料筋條浸潤樹脂均勻，同時成型件的固化壓力均勻，保證了各組分緊密貼合，因此制成的增強型復合材料泡沫夾芯筒的面、芯結合效果好，無明顯缺陷，且該制備方法成本低廉、操作簡便。

以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護范圍之內。