一種夾芯復合材料及其制備方法與流程
本發明涉及復合材料技術領域，特別是涉及一種夾芯復合材料及該夾芯復合材料的制備方法。
背景技術：
夾芯復合材料由于具有輕質、高強度、高剛度及可以功能化設計等優點，已被廣泛應用在航空航天、交通運輸、船舶制造、建筑工程、風電葉片等各個領域。
夾芯復合材料一般由三層材料復合得到，即上下蒙皮面板層和中間芯材組成一個結構整體，該結構在大幅降低重量的同時，可提高整體剛度等力學性能。由于夾芯復合材料含多種不同材質材料，因此層間界面性能很重要，界面結構不好，在外載荷作用下，界面處易發生脫粘分層，分層擴展又將導致夾芯復合材料層間剪切、壓縮強度等力學性能及承載能力明顯降低,會直接影響到夾芯復合材料的整體性能，甚至還會直接導致夾芯復合材料結構的失效，這已成為制約該類材料進一步廣泛應用的重要因素之一。目前，現有研究通過面板層設計或模具工藝設計等多種方式進行改進，來提高夾芯復合材料界面浸潤效果及其整體性能，但通常不是成本高就是操作繁瑣，難以滿足要求。
中國實用新型專利cn203077713u的說明書中公開了一種多層蜂窩夾芯復合材料，該多層蜂窩夾芯復合材料性能良好，但成本較高，生產工藝的成型效率低，且制品尺寸嚴重受到熱壓罐尺寸制約，難以推廣應用。
中國發明專利cn104097329b公開了一種復合材料泡沫夾芯結構成型中對復合材料泡沫進行樹脂灌注預處理的方法，通過對復合材料泡沫進行樹脂灌注預處理，在泡沫與面板界面處形成樹脂粘接層，然后采用成型工藝制備復合材料泡沫夾芯材料的方法。該方法操作復雜，固化的樹脂粘接層與后續織物灌注界面處樹脂量較多，界面強度較低，界面性能較差。受力下樹脂量多的界面層容易產生裂紋，成為整體破壞的弱區。
中國發明專利cn1915650b公開了一種玻璃鋼復合材料夾層結構件的真空成型工藝，通過分別預制外層面板、內層面板、芯材層，然后利用粘接劑進行粘接，采用真空工藝固化制備玻璃鋼復合材料夾層結構件的方法。該方法需要專門模具、預成型體制備部分需要三道工序，操作繁瑣，且粘接劑涂抹厚度均勻性不易控制，粘接效果不易控制。
因此，如何創設一種新的夾芯復合材料及其制備方法，使其操作簡單、生產效率較高、可設計性較強、界面性能優異且界面強度較高，是本領域技術人員亟待解決的問題。
技術實現要素：
本發明要解決的第一個技術問題是提供一種界面性能優異、界面強度較高的夾芯復合材料，以克服現有的夾芯復合材料界面性能較差、界面強度較低的不足。
為解決上述技術問題，本發明提供了一種夾芯復合材料，包括芯材層和分別設置在所述芯材層兩側的蒙皮面板層，所述蒙皮面板層包括纖維預浸料層和纖維織物層，所述纖維預浸料層緊貼所述芯材層的兩側設置，所述纖維織物層設置在所述纖維預浸料層外側，所述蒙皮面板層和芯材層通過與樹脂體系復合后形成所述夾芯復合材料。
作為本發明的一種改進，所述蒙皮面板層中纖維預浸料層的層數為2層以上，所述蒙皮面板層中纖維預浸料層和纖維織物層的層數比為1:1至1:10。
進一步改進，所述纖維預浸料層的鋪設角度為0°、+45°、-45°或90°，所述纖維織物層的鋪設角度為0°、+45°、-45°、+60°、-60°或90°。
進一步改進，所述纖維預浸料層采用玻璃纖維預浸料、碳纖維預浸料或芳綸纖維預浸料中的一種或多種；所述纖維織物層采用玻璃纖維織物、碳纖維織物或芳綸纖維織物中的一種或多種；所述芯材層采用聚氯乙烯泡沫、聚對苯二甲酸乙二醇酯泡沫、聚甲基丙烯酰亞胺泡沫或輕木。
進一步改進，所述纖維預浸料層采用平紋織物預浸料、斜紋織物預浸料、緞紋織物預浸料或單向預浸料中的一種或多種；所述纖維織物層采用平紋織物、斜紋織物、緞紋織物、單軸向織物或多軸向織物中的一種或多種。
進一步改進，所述纖維預浸料層的樹脂質量含量為30-50％，所述夾芯復合材料的樹脂質量含量為25-35％。
進一步改進，所述樹脂體系包括如下按重量份計的組分：環氧樹脂100份、固化劑50-120份、促進劑0.2-2份。
進一步改進，所述環氧樹脂為縮水甘油醚、縮水甘油酯、縮水甘油胺或脂環類環氧樹脂，其中，所述縮水甘油醚類環氧樹脂為e51型環氧樹脂和/或e54型環氧樹脂。
進一步改進，所述固化劑為胺類或酸酐類固化劑，其中，所述酸酐類固化劑為芳香族酸酐、脂環族酸酐、長鏈脂肪族酸酐、鹵代酸酐或酸酐加成物類固化劑中的一種或多種。
進一步改進，所述固化劑為甲基四氫苯酐、四氫苯酐、六氫苯酐或鄰苯二甲酸酐中的一種或多種。
進一步改進，所述促進劑為叔胺類促進劑、咪唑類促進劑、咪唑鹽類促進劑或過渡金屬有機化合物促進劑中的一種或多種。
進一步改進，所述促進劑為三乙醇胺、二甲基苯胺或dmp30型環氧促進劑中的一種或多種。
本發明要解決的第二個技術問題是提供一種夾芯復合材料的制備方法，使其操作簡單、生產效率較高，并且使經該方法制得夾芯復合材料界面性能優異、界面強度較高。
為解決上述技術問題，本發明提供了一種如上述的夾芯復合材料的制備方法，包括如下步驟：1)將所述纖維織物層、纖維預浸料層、芯材層按預設順序和鋪設角度鋪設在模具中，形成中間為所述芯材層、緊貼所述芯材層的兩側為所述纖維預浸料層、所述纖維預浸料層外側為所述纖維織物層的纖維芯材復合鋪層結構；2)向所述纖維芯材復合鋪層結構中灌注樹脂體系，經固化脫模后得到所述夾層復合材料。
作為本發明的一種改進，采用真空灌注成型工藝或樹脂傳遞模塑成型工藝向所述纖維芯材復合鋪層結構中灌注樹脂體系。
采用上述的設計后，本發明至少具有以下優點：
1、該夾芯復合材料的纖維預浸料層可以服帖的鋪設在芯材層和纖維織物層上，尤其是大尺寸、大厚度、形狀復雜、多曲面的高性能夾芯復合材料，特別是界面處不容易出現浸潤不良和富樹脂現象，而且纖維預浸料樹脂體系與后續灌注樹脂體系會發生共固化反應，各層間的界面性能較好，界面強度較高，在載荷作用下不易發生分層等界面失效現象。
2、通過調整纖維織物層與纖維預浸料層的鋪設方式可調節夾芯復合材料的性能，可設計性較強。
3、該夾芯復合材料的制備方法，先鋪設好分層結構后，再灌注樹脂體系，一步成型，操作簡單，生產效率較高。在生產時，纖維預浸料層可以服帖的鋪設在芯材層和纖維織物層上，纖維預浸料層和纖維織物層、芯材層鋪設平整，不容易出現浸潤不良現象，尤其適于形狀復雜、多曲面的情況，在曲率較大的地方不易富樹脂；而且灌注的樹脂體系與纖維預浸料樹脂體系會發生共固化反應，各層間界面性能較好，界面強度較高，有益于提高夾芯復合材料結構的整體性，在載荷作用下不易發生分層等界面失效現象。
附圖說明
上述僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，以下結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明。
圖1是本發明夾芯復合材料的分層結構示意圖；
其中，1、纖維織物層，2、纖維預浸料層，3、芯材層。
具體實施方式
如圖1所示，本發明提供了一種夾芯復合材料，包括芯材層3和分別設置在芯材層3兩側的蒙皮面板層，蒙皮面板層包括纖維預浸料層2和纖維織物層1，纖維預浸料層2緊貼芯材層3的兩側設置，纖維織物層1設置在纖維預浸料層2外側，蒙皮面板層和芯材層3通過與樹脂體系復合后形成夾芯復合材料。
具有粘性的纖維預浸料可以服帖的鋪設在芯材層3和纖維織物層1上，后續芯材層3和蒙皮面板層之間的界面不容易出現浸潤不良現象，尤其適于形狀復雜、多曲面的情況，在曲率較大的地方不易富樹脂，蒙皮面板層和芯材層之間的界面性能好，界面強度較高，在載荷作用下不易發生分層等界面失效現象。蒙皮面板層中纖維預浸料層2的層數優選為2層以上，纖維預浸料層2和纖維織物層1的層數比可按1:1至1:10的設置。設模具長度方向為0°，纖維預浸料層2的鋪設角度可為0°、+45°、-45°或90°等任意角度，纖維織物層1的鋪設角度也可采用0°、+45°、-45°、+60°、-60°或90°等任意角度。通過調節纖維預浸料層2和纖維織物層1的層數和鋪設角度可以調整夾芯復合材料的材料性能，可設計性較強。
按材質選擇，纖維預浸料層2可采用玻璃纖維預浸料、碳纖維預浸料或芳綸纖維預浸料中的一種或多種；按織物結構選擇，纖維預浸料層2可采用平紋織物預浸料、斜紋織物預浸料、緞紋織物預浸料或單向預浸料中的一種或多種。纖維預浸料的樹脂質量含量優選為30-50％。
按材質選擇，纖維織物層1可采用玻璃纖維織物、碳纖維織物或芳綸纖維織物中的一種或多種；按織物結構選擇，纖維織物層1可采用平紋織物、斜紋織物、緞紋織物、單軸向織物或多軸向織物中的一種或多種。
芯材層3優選閉孔材料，樹脂不會進入芯材層3內部，在滿足強度的同時可減輕由該夾芯復合材料制成的結構的整體重量。具體的，該芯材層3可采用為聚氯乙烯(pvc)泡沫、聚對苯二甲酸乙二醇酯(pet)泡沫、聚甲基丙烯酰亞胺(pmi)泡沫等聚合物芯材或輕木等天然生長的輕質材料芯材，芯材層3的密度優選為60-250kg/m3。
夾芯復合材料的樹脂質量含量優選為25-35％，應用于該夾芯復合材料的樹脂體系可選擇在35°-70°溫度下，粘度小于300mpa·s的樹脂體系，可為市售的樹脂體系，也可為自制樹脂體系，優選和纖維預浸料層2的樹脂體系相似或一致且共固化的樹脂體系。自制樹脂體系包括如下按重量份計的組分：環氧樹脂100份、固化劑50-120份、促進劑0.2-2份，其中，環氧樹脂可為縮水甘油醚、縮水甘油酯、縮水甘油胺或脂環類環氧樹脂，縮水甘油醚類環氧樹脂可為e51型環氧樹脂和/或e54型環氧樹脂；固化劑可為胺類或酸酐類固化劑，其中，酸酐類固化劑可為芳香族酸酐、脂環族酸酐、長鏈脂肪族酸酐、鹵代酸酐或酸酐加成物類固化劑中的一種或多種，具體的可選用甲基四氫苯酐、四氫苯酐、六氫苯酐或鄰苯二甲酸酐中的一種或多種；促進劑可選用叔胺類促進劑、咪唑類促進劑、咪唑鹽類促進劑或過渡金屬有機化合物中的一種或多種，具體的可選用三乙醇胺、二甲基苯胺或dmp30型環氧促進劑中的一種或多種。
本發明的夾芯復合材料界面性能優異、界面強度較高、可設計性較強，且生產成本較低。
本發明還提供了一種如上述夾芯復合材料的制備方法，包括如下步驟：
步驟1)準備模具：清理模具并在模具上涂抹脫模劑。
步驟2)將纖維織物層1、纖維預浸料層2、芯材層3按預設順序和鋪設角度鋪設在模具中，形成中間為芯材層3、緊貼芯材層3的兩側為纖維預浸料層2、更外側為纖維織物層1的纖維芯材復合鋪層結構，也就是首先在模具上鋪設纖維織物層1，然后在纖維織物層1上鋪設纖維預浸料層2，在纖維預浸料層2上放置芯材層3，然后按照對稱原則在芯材層3上相應鋪設纖維預浸料層2和纖維織物層1。
其中，芯材層3每側的纖維預浸料層2的層數優選為2層以上，纖維預浸料層2和纖維織物層1的層數比為1:1至1:10；設模具的長度方向為0°，則纖維預浸料層2的鋪設角度可為0°、+45°、-45°或90°等任意角度，纖維織物層1的鋪設角度也可采用0°、+45°、-45°、+60°、-60°或90°等任意角度。
步驟3)向步驟2)得到的纖維芯材復合鋪層結構中灌注樹脂體系：可選用真空灌注成型工藝或樹脂傳遞模塑(rtm)成型工藝將樹脂體系灌注到纖維芯材復合鋪層結構中。
當采用真空灌注成型工藝時，還需在上述的纖維芯材復合鋪層結構的上方依次鋪設脫模布和導流網，然后使用單層或雙層真空袋膜和密封膠帶將纖維芯材復合鋪層結構、脫模布、導流網以及模具密封，同時設置好進膠口和抽氣口，然后在35-70℃溫度和真空負壓下將樹脂體系灌注到纖維芯材復合鋪層結構中。
當采用rtm成型工藝時，模具包括陰模和陽模，步驟2)中纖維芯材復合鋪層結構是鋪設在陰模中，鋪設完纖維芯材復合鋪層結構后將陰模和陽模合膜，然后將模具升溫至35-70℃，在壓力為0.2-0.8mpa下，將樹脂體系灌注到纖維芯材復合鋪層結構中。
步驟4)固化冷卻后脫模：在70-120℃溫度下固化5-10h后，冷卻后脫模。
以下通過具體實例對本發明的技術方案做進一步的詳細說明，但不構成對本發明的限制或約束。以下實施例所用的各種原料均可以通過商業途徑或采用自制獲得。
芯材：pmi泡沫，湖南兆恒材料科技有限公司；pvc泡沫，戴鉑新材料(昆山)有限公司；
纖維織物和纖維預浸料：玻璃纖維平紋織物、玻璃纖維雙軸織物及玻璃纖維單軸織物及單向碳纖維預浸料，航天長征睿特科技有限公司；
樹脂體系：自制樹脂體系或美國瀚森化工rim135型樹脂體系。其中，自制樹脂體系的原材料為：e51型環氧樹脂，巴陵石化；固化劑為：液體甲基四氫苯酐,廣州市深創化工有限公司；促進劑為：dmp-30型環氧促進劑，廣州市業增化工有限公司。
實例1：
步驟1)準備模具，采用rtm成型工藝的模具包括陰模和陽模，清理模具并在模具上涂抹脫模劑。
步驟2)設單層玻璃纖維平紋織物層為a，單層單向碳纖維預浸料層為b，pmi泡沫芯材層為c，在陰模中自下至上的鋪設順序為：a/a/b/b/c/b/b/a/a，設模具的長度方向為0°，鋪設角度為：
步驟3)向步驟2)得到的纖維芯材復合鋪層結構中灌注樹脂體系：將陰模和陽模合膜，在45℃下預熱模具0.5h，然后在0.5mpa壓力下，采用rtm成型工藝將自制樹脂體系灌注到步驟2)得到的纖維芯材復合鋪層結構中。
該自制樹脂體系的加工工藝為：在35℃下，將e51型環氧樹脂、液體甲基四氫苯酐固化劑和dmp-30型環氧促進劑按100:75:1.2的質量比進行混合，混均勻后，放在真空烘箱或專門脫泡機中脫泡后即可使用。
步驟4)固化冷卻后脫模：在步驟3)中灌注完成后，以10℃/小時的升溫速率進行升溫，在80℃溫度下固化3小時，在110℃溫度下固化4小時后，冷卻到40℃左右后脫模。
經過步驟4)固化冷卻后脫模，即得到本發明的夾芯復合材料，該夾芯材料表面及截面平整、浸膠質量良好，無氣泡及缺膠缺陷。
實例2：
步驟1)準備模具：清理模具并在模具上涂抹脫模劑。
步驟2)本實施例中的纖維織物層1選用玻璃纖維雙軸織物層和玻璃纖維單軸織物層。設單層玻璃纖維雙軸織物為d，單層玻璃纖維單軸織物為e，單層單向碳纖維預浸料為b，pvc泡沫芯材層為c，在模具中自下至上的鋪設順序為：e/e/d/d/b/b/b/c/b/b/b/d/d/e/e，設模具的長度方向為0°，鋪設角度為
步驟3)向纖維芯材復合鋪層結構中灌注樹脂體系：在步驟2)中得到的纖維芯材復合鋪層結構的上方依次鋪設脫模布和導流網，然后使用單層或雙層真空袋膜和密封膠帶將纖維芯材復合鋪層結構、脫模布、導流網以及模具密封，同時設置好進膠口和抽氣口，在35℃溫度和真空負壓下將rim135型樹脂體系灌注到纖維芯材復合鋪層結構中。
步驟4)固化冷卻后脫模：在步驟3)中灌注完成后，以10℃/小時的升溫速率進行升溫，在70℃溫度下固化5-6h后，冷卻到40℃后脫模。
經過步驟4)固化冷卻后脫模，即得到本發明的夾芯復合材料，該夾芯材料表面及截面平整、浸膠質量良好，無氣泡及缺膠缺陷。
本發明的夾芯復合材料的制備方法操作簡單、生產效率較高，可設計性較強，經過該方法制得的夾芯復合材料界面性能優異、界面強度較高。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，本領域技術人員利用上述揭示的技術內容做出些許簡單修改、等同變化或修飾，均落在本發明的保護范圍內。
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