一种连续纤维热塑性复合材料点阵结构及制备工艺 |
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| 申请号 | CN201710910653.7 | 申请日 | 2017-09-29 | 公开(公告)号 | CN107487001A | 公开(公告)日 | 2017-12-19 |
| 申请人 | 北京航空航天大学; | 发明人 | 殷莎; 陈昊宇; 吴垚博; 许骏; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种连续 纤维 热塑性 复合材料 点阵结构及制备工艺，利用热塑性丝带 预浸料 ，进行编织，形成网状织物；对网状织物进行局部加热，然后采用压头进行 冲压 ，从而得到连续纤维热塑性复合材料点阵结构芯材；将得到的所述点阵芯材与两 块 热塑性复合材料面板加热后粘接起来，形成连续纤维热塑性点阵夹芯结构，所述的热塑性复合材料的基体为各类热塑性基体材料，各类热塑性基体材料中的增强相采用 碳 纤维或者其他增强纤维，能够使所述结构整体具有更强的冲击韧性；还可以通过将所述连续纤维热塑性复合材料点阵结构芯材与热塑性复合材料面板交替层叠，制备多层型点阵夹芯结构。本发明实施简单，制作方便，可以实现连续化大批量生产，大幅降低制作成本。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种连续纤维热塑性复合材料点阵结构，包括：点阵芯材，复合材料上面板和下面板，上下面板和点阵芯材由粘接连接，其特征在于：所述点阵芯材是由连续纤维编织网冲压而成的，即由点阵单胞连续拓扑而成的。 |
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| 说明书全文 | 一种连续纤维热塑性复合材料点阵结构及制备工艺技术领域[0001] 本发明涉及一种连续纤维热塑性复合材料点阵结构及制备工艺，属于复合材料技术领域。 背景技术[0002] 由于能源与环境问题的日益严重，以及汽车工业对于二氧化碳排放量及材料可循环使用的严格法规要求，轻质可循环利用新材料的开发及应用是汽车行业可持续发展的重要保证，而先进热塑性复合材料可以满足这些要求。近年来，具有轻质高效结构形式及开放内部空间的点阵材料得到了空前的发展。纤维增强点阵复合材料比刚度与比强度高，空隙率大且相互连通,材料内部易于布线、埋置小型元器件、功能材料等,因此可实现热控、储能等多功能，达到结构功能一体化。目前的点阵复合材料主要以纤维增强热固性复合材料为母体材料，制备工艺具有一些缺点，如批量生产比较困难、成本高且不易制备大尺寸结构件等难题。这些不足的存在限制了复合材料点阵结构在工程中的应用范围。目前，对连续纤维增强热塑性点阵复合材料的研究很少，仅有一种开口拉伸成型技术，但上下节点不平，因而与上下面板连接困难、工艺繁锁，使得制造成本偏高。 [0003] 中国专利201410369653.7，一种整体加固的单向纤维增强复合材料点阵夹芯板及其制备方法、201010202995.1整体加固的复合材料点阵夹芯板及其制备方法、201010202995.1局部加固的复合材料点阵夹芯板及其制备方法、201410128565.8木质工程复合材料点阵夹芯结构，上面几篇专利和本发明的相似点在于，其结构和本发明的单胞构型都是点阵结构。但是上述四篇发明在于制备小批量点阵的方法，主要侧重点在于加固方式。而本发明的侧重点在于：由于使用了热塑性的复合材料，依据热塑性复合材料可以快速变形和冷却固化的特点，提出了这种加热冲压的加工方式。这种加工方式可以进行自动化生产，快速大批量制备。所以对于本发明而言。除了保护点阵的单胞结构，着重需要突出这种加热冲压的自动化制备工艺。 发明内容[0004] 为了解决点阵复合材料现有的批量生产困难的问题，本发明提供一种连续纤维热塑性复合材料点阵结构及制备工艺，利用热塑性复合材料丝带编织技术结合热冲压技术制备点阵复合材料结构的方法，实施简单，制作方便，可以实现连续化大批量生产，大幅降低制作成本，使得复合材料点阵结构在汽车及航空航天领域工程应用中占有一席之地。 [0005] 本发明技术解决方案：一种连续纤维热塑性复合材料点阵结构，包括：点阵芯材，复合材料上面板和下面板，上下面板和点阵芯材由粘接连接，其特征在于：所述点阵芯材是由连续纤维编织网冲压而成的，因此是由点阵单胞连续拓扑而成的。由此带来的优势是点阵芯材的母体材料纤维均是连续纤维，显著增强了力学性能。而目前业内的点阵结构均为单独点阵单胞拼接而成的，没法做到整个芯材均为连续纤维。 [0006] 本发明的一种连续纤维热塑性复合材料点阵结构制备工艺，包括以下步骤： [0007] (1)利用热塑性丝带预浸料，进行编织，形成网状织物；丝带所用基体可以为各类工程中常用的热塑性基体； [0008] (2)对网状织物即将与压头接触的部位进行局部加热，然后采用压头进行冲压，从而得到连续纤维热塑性复合材料点阵结构芯材； [0009] (3)将得到的所述点阵芯材与两块热塑性复合材料面板加热后粘接起来，形成连续纤维热塑性点阵夹芯结构，所述的热塑性复合材料的基体为各类热塑性基体材料，各类热塑性基体材料中的增强相采用碳纤维或者其他增强纤维，能够使所述结构整体具有更强的冲击韧性；还可以通过将所述连续纤维热塑性复合材料点阵结构芯材与热塑性复合材料面板交替层叠，制备多层型点阵夹芯结构；冲压所得到的点阵芯材由点阵单胞拓扑排列所得。点阵单胞由多根支杆组合而成，点阵单胞尺寸由支杆长度和支杆组合方式决定。点阵单胞的几何形状可以被设计，主要通过两个方式：一是支杆的几何尺寸可以被设计，比如说支杆的长度和截面尺寸；二是支杆的组合方式可以被设计，比如说组合为金字塔形状或者四面体形状。 [0010] 所述步骤(1)和(2)在工业生产线中通过相应加热、冲压工艺实现热塑性复合材料点阵结构的连续生产。 [0012] 所述步骤(1)中，所述网状织物为格栅式网状织物，格栅式网状孔隙形式为六边形或菱形。 [0013] 所述步骤(2)中，连续纤维热塑性复合材料点阵芯材具有柔性，能够用于制备带曲率的夹芯结构，所述带曲率的夹芯结构包括圆筒、曲面壳。 [0014] 所述步骤(2)中局部加热温度根据热塑性基体材料的熔融温度和结晶温度确定，温度范围为180-220℃，优选190-200℃温度。 [0015] 所述步骤(2)中冲压时，采用的冲压模具是根据连续纤维热塑性复合材料点阵芯材的微结构的拓扑构型来设计的，通过冲压模具的冲头与冲压模具底模的配合冲压预成型体形成微结构的波纹状侧廓。 [0016] 所述步骤(3)中加热温度范围为180-220℃，优选190-200℃温度。 [0018] 本发明与现有技术相比的优点在于： [0019] (1)基于热塑性丝束预浸带，编织成网状织物，之后采用热冲压工艺制备得到点阵结构，这一过程所使用的制备技术环节都比较成熟，易实现连续自动化生产，即网状材料的编织和冲压可以通过生产线连续生产，自动化程度提高，提高生产效率，工业连续生产使得产品力学性能较实验室单件制备更稳定，并降低成本。 [0020] (2)可设计性强。设计中，结构单元的尺寸，由于尺寸参数可设计性强，可在较大范围内变化，同时也受限于原材料网状织物的工业生产能力在此给出大致范围：支杆长度：5mm-30mm,网状织物厚度(杆件厚度)：0.2mm-1mm,结构单胞尺寸可由杆件尺寸及杆件角度得出，如金字塔点阵结构，相对杆件夹角一般为90度。形状可在编织过程中通过改变织物形状及几何尺寸而改变。 [0021] (3)芯材与面板连接方式简单。点阵芯材与面板可直接通过热熔融技术进行连接，无需其他工艺环节，可进一步降低制作成本，组装后所得的夹芯结构表现出弹性固体的力学行为，比性能高，比如，密度为1000千克每立方米左右的工程材料中，各类泡沫、聚合物、自然生物材料的平压强度大多小于100MPa，而点阵材料的强度基本大于100MPa；抗冲击能力强，比如，点阵夹芯板和实体板的冲击响应，点阵夹芯板的吸收能量可以达到实体板的两倍，而变形量却大致只有实体板的一半。附图说明 [0022] 图1为本发明的工艺流程图； [0023] 图2为本发明可制备的两种点阵结构芯材；a为金字塔点阵夹芯结构；b为四面体点阵夹芯结构； [0024] 图3为本发明可制备的点阵夹芯结构示意图(上面板半剖)，其中a和b分别是图2所示的两种构型的点阵添加面板后的图形。 具体实施方式[0025] 下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。 [0026] 如图1所示，本发明具体实现如下： [0027] (1)以丝带编织网状结构热塑性复合材料预浸料作为一种生产原材料，以固态状态送料进入生产线，网状构型可为菱形或六边形； [0028] (2)原材料首先经过生产线上加热装置，加热至所用热塑性基体的操作温度，具体根据热塑性基体材料的熔融温度和结晶温度确定，根据前述，丝带所用原材料可以为多种热塑性基体，比如PP，PE等，其熔融温度大致均分布在180-220℃范围内。PP材料的熔点为170℃，使热塑性复合材料熔融软化，进入适宜冲压的物态； [0029] (3)加热后的网状预浸料随即进入生产线中的冲压装备，通过冲头与底模的配合冲压预成型体形成点阵结构的波纹状侧廓，并可通过冲压落料裁剪至点阵夹芯结构芯材所需面积大小，在冲头与底模的设计中，可考虑所需特定点阵构型杆件的长厚比，不同杆件夹角等确定模具形状。例如，对一种典型金字塔点阵结构，其杆件长10mm，杆件倾角为45度，根据几何关系，需设计底模角度α＝54.73°，L＝8.66mm,如图1所示； [0030] (4)待热塑性复合材料冷却至室温后(也可通过生产线上冷却装置实现)，点阵复合材料完全恢复固体状态，将具备预期的结构力学性能。以上过程均可在一条生产线上完成，故可使本工艺流程具有较高的工作效率，工艺稳定性增强； [0031] (5)对于每一块点阵芯材，准备相应大小的两块热塑性复合材料面板，与上述过程制备的热塑性点阵芯材组合装配，通过在点阵结点处局部熔融焊接，将点阵结构与面板焊为一体，形成面板-芯材-面板夹芯结构。 [0032] 图1所示为点阵芯材自动化制备流程：热塑性基体网状编制物向左移动，首先经过局部加热，一部分编织物被加热到基体工作温度，然后这部分被加热的编织物进入冲压位置，由图中所示模具冲压出点阵性质。模具具体结构如图1右侧所示。可以根据所设计的点阵形状来改变模具性质。 [0033] 图2中的a和b展示了两种不同结构的点阵芯材。点阵芯材指的是冲压完成的这一整块由杆件构成的面板。点阵单胞指的是点阵芯材中的一个基本单元，如图2中所示。a中的点阵单胞为金字塔结构，b中的点阵单胞为四面体结构。 [0034] 图3为点阵夹芯板，即在前述得到的点阵芯材上下表面粘接上面板，由两块面板和点阵夹芯所构成的整体即为点阵夹芯板，a为金字塔点阵芯材在上下面粘接上面板后所形成的点阵夹芯板。b为四面体点阵芯材在上下面粘接上面板后所形成的点阵夹芯板。 [0036] 本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。 |
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