用于航空航天结构应用的夹层板 |
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申请号 | CN201180006640.8 | 申请日 | 2011-01-17 | 公开(公告)号 | CN102712164A | 公开(公告)日 | 2012-10-03 |
申请人 | 赫克塞尔合成有限公司; 赫克塞尔合成股份有限公司; | 发明人 | S.莫蒂默; E.勒格夫; B.杰曼; C.卡萨里吉; S.拉斯法古斯; | ||||
摘要 | 一种结构板材,包括具有第一和第二相对表面的内芯材料,及分别与所述第一和第二相对表面结合的第一和第二面板,其中该结构板材包括介于内芯材料第一表面及其相应的面板之间的开孔结构片材,且该结构板材包含小于200gsm的 粘合剂 。 | ||||||
权利要求 | 1.一种结构板材,包括具有第一和第二相对表面的内芯材料,及分别与所述第一和第二相对表面结合的第一和第二面板,其中该结构板材包括介于内芯材料第一表面及其相应面板之间的开孔结构片材,且该结构板材包含小于200gsm的粘合剂。 |
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说明书全文 | 用于航空航天结构应用的夹层板技术领域[0001] 本发明涉及包含芯材(core material)和两个相对表面板(face sheet)的结构板材(structural panel),特别是应用于航空航天结构应用中的结构板材。 背景技术[0002] 结构板材,也称为夹层板(sandwich panel),包括轻质内芯材料及包围其两侧的面板,在各种应用中得到了使用。通常情况下,它们用于首先考虑板材刚度和结构强度的地方。 [0003] 具体地,夹层板可用作板材重量为同等重要考虑事项的航空航天器的结构部件。为此,在航空航天应用中通常采用所谓的蜂窝状芯材,其中该芯材包括延展于面板之间的片状材料,且内芯的大部分是开孔空间(open space)。 [0004] 然而,进一步减轻重量是持续追求的,而且重要的是,这必须在不牺牲板材的结构完整性的条件下来达到。 [0005] 例如,普遍采用由预浸件(prepreg)材料制成的面板。预浸件包括至少一个结构纤维片材,所述结构纤维可以是织物或无纺物,并用可固化树脂预浸渍。这类材料提供轻质而坚固的结构部件,因此制得理想的航空航天用面板。 [0007] 这种剥离失效机理尤其与蜂窝状芯材有关,这是因为面板和芯材之间的接触面积可能非常小,因此采用这种芯材时很可能呈现这种主要的失效机理。 [0008] 在进一步降低这种夹层板的重量的尝试中,已经提出所谓的自粘性(self-adhesive)预浸件,其不需要粘合剂,故可提供重量减轻。用于夹层板的自粘性预浸件的例子可参见US 6045898,US 6508910和US 6440257。 [0009] 然而,通过去除粘合剂,已经发现面板更容易被去除,需要较低的剥离力。因此,重量的减轻可能导致这种面板的结构完整性的降低。 [0010] 美国依法注册的发明H000047公开一种蜂窝夹层板,披露了在蜂窝芯材和酚醛树脂预浸件面板之间使用水刺(spunlaced)芳族聚酰胺纤维织物。尽管声称剥离结果有所改善,但剥离力还是显著低于在结构应用中能够接受的剥离力。此外,酚醛树脂不适合在航空航天结构性应用中使用。因此,引入额外的重量却没有提供可以接受的剥离强度。 [0011] 由此看来,本领域已经到达通过降低结构的整体性才能进一步减轻重量的时刻。 发明内容[0012] 本发明涉及一种结构板材,包括具有第一和第二相对表面的内芯材料,及分别与所述第一和第二相对表面结合的第一和第二面板,其中该结构板材包括介于内芯材料第一表面及其相应面板之间的开孔结构片材(open-structured sheet),且该结构板材包含小于200gsm的粘合剂。 [0013] 已经发现,在面板和内芯材料之间设置开孔结构片材或覆面毡(veil),可以显著提高面板的剥离强度。而且还发现,可以显著地降低粘合剂的用量,甚至完全排除粘合剂而不影响剥离强度。因此,例如与现有技术的结构夹层板相比,在没有净重量增加的情况下可以显著地提高剥离强度,甚至可以减轻重量。 [0014] 然而还已经发现,通过观察本发明的应用,一些材料的组合并没有展现出剥离力的改善。 [0015] 因此,优选所述板材排除下列成分的组合:芳族聚酰胺蜂窝芯材;是酚醛树脂浸渍的预浸件的面板;为包含至少50%重量芳族聚酰胺纤维的水刺织物的开孔结构片材。 [0016] 据信,该组合不佳性能可能是由于一系列原因,特别是所采用的树脂的类型。因此,优选面板不含任何酚醛树脂。 [0017] 在优选的实施方案中,所述板材包括介于内芯材料第二表面及其相应面板之间的第二开孔结构片材,使得在两个表面上均表现出剥离强度的改善。 [0018] 因而,根据本发明的结构板材,其中一个、优选两个面板,根据国际测试方法EN2243-3所具有的爬升式滚筒剥离试验力(climbing drum peel test force)大于300N/75mm,优选大于400N/75mm,更优选大于500N/75mm,最优选大于600N/75mm。 [0019] 用具有两个面板的结构板材可实现剥离力的提高,其中每个面板包括两层预浸件的纤维层,面积重量(areal weight)小于1700gsm、优选小于1600gsm。 [0020] 如上所述,不依赖于粘合剂的存在量可以实现剥离力的提高。因而,优选所述板材包含小于100gsm的粘合剂,最优选其基本上不含粘合剂。以这种方式,可以实现进一步减轻夹层板的重量。 [0021] 内芯材料可以呈各种形式,如制成轻质的蜂窝体、硬质泡沫体、纸或木材。然而,优选其为蜂窝体材料,因为这可为重量非常轻的材料提供优良的结构性能。 [0022] 面板也可以呈各种形式,但优选的是预浸件片材。除其它可能的材料之外,预浸件包括纤维结构体如垫状物、织物、非织造材料或粗纱(roving),并预浸渍有可固化树脂(即热固性树脂)和固化剂。 [0023] 浸渍到纤维中的树脂的量可方便地以占预浸件重量的百分数计量。已经发现,为了树脂具有足够的粘性并足以渗透到开孔结构片材的开孔区域,需要存在足够量的树脂。同时还发现,增加树脂的含量水平倾向于提高剥离力。因此,优选预浸件面板包含至少42wt%,更优选包含至少44wt%的热固性树脂。 [0024] 纤维以层的形式存在,且每个面板可包含一层或多层的纤维,通常为两层纤维。 [0025] 在优选的实施方案中,预浸件每一层中的纤维沿整个面板横向延展,并且优选为织物或单向织物。 [0027] 所采用的预浸件优选为所谓的自粘性预浸件,其在本领域已知为能够在不需要粘合剂的情况下粘附在内芯材料上。因而,优选地,使用的预浸件使得当省略开孔结构片材并且具有42%的树脂含量时,使用的预浸件具有大于100N/75mm的根据国际测试方法EN2243-3的爬升式滚筒剥离试验力。 [0028] 例如,预浸件的树脂中可以包含US 6508910中所披露的热塑性带状成形颗粒。 [0029] 因而,带状成形颗粒适当地选自聚醚砜和聚醚酰亚胺,优选聚醚砜。颗粒尺寸可以变化,并且可以具有1~150微米的平均粒径。 [0030] 以这种方式,可以控制树脂的粘度,使其具有所需的流动特性。因而,优选预浸件中的树脂具有至少15Pas的最小粘度。 [0031] 预浸渍到预浸件面板中的树脂还可以选自本领域已知的任何适宜的热固性树脂,但是如上述那样优选避免酚醛树脂。 [0033] 环氧树脂可包括单官能团环氧树脂,二官能团环氧树脂,三官能团环氧树脂和/或四官能团环氧树脂。 [0034] 举例来说,合适的二官能团环氧树脂包括基于下列物质的那些二官能团环氧树脂:双酚F的二缩水甘油基醚,双酚A(任选溴化的),苯酚和甲酚的线性环氧酚醛树脂,酚醛加合物的缩水甘油基醚,脂肪族二醇的缩水甘油基醚,二缩水甘油基醚,一缩二乙二醇二缩水甘油基醚,芳香族环氧树脂,脂肪族多缩水甘油基醚,环氧化烯烃,溴化树脂,芳香族缩水甘油基胺,杂环缩水甘油基亚胺和酰胺,缩水甘油基醚,氟化环氧树脂,或者其任意组合。 [0035] 优选二官能团环氧树脂选自双酚F的二缩水甘油基醚,双酚A的二缩水甘油基醚,二缩水甘油基二羟基萘,或者其任何组合。 [0036] 举例来说,适宜的三官能团环氧树脂可包括那些基于下列物质的三官能团环氧树脂:苯酚和甲酚的线性环氧酚醛树脂,酚-醛加合物的缩水甘油基醚,芳香族环氧树脂,脂肪族三缩水甘油基醚,二脂肪族三缩水甘油基醚,脂肪族多缩水甘油醚,环氧化烯烃,溴化树脂,三缩水甘油基氨基苯基(triglycidyl aminophenyls),芳香族缩水甘油基胺,杂环的缩水甘油基亚胺和酰胺,缩水甘油基醚,氟化环氧树脂,或者其任意组合。 [0037] 适宜的四官能团环氧树脂包括N,N,N′,N′-四缩水甘油基-间苯二胺(商业上可以Tetrad-X名称得自Mitsubishi Gas Chemical Company,及得自CVCChemicals的Erisys GA-240),以及N,N,N′,N′-四缩水甘油基亚甲基二苯胺(如得自Huntsman Advanced Materials的MY721)。 [0038] 开孔结构片材或覆面毡允许任何树脂从面板传递到其开孔结构中,并内芯材料的表面接触。据信,通过开孔结构片材与内芯材料和面板两者形成强的粘结,这种安排可以提高剥离强度。因此,开孔结构片材是树脂可渗透的,使得树脂在固化前或固化中穿过该片材与内芯材料表面接触。 [0039] 开孔结构片材通常是通过将纤维搭接和/或相互连接而保持在一起的整体性片材。例如,这种纤维可以是机织的或编织的。该纤维也可以是无规的,如水刺或无纬稀松布(laid scrim),但是优选机织或编织的纤维。这种片材在本领域中常被称作覆面毡。 [0040] 开孔结构片材可以通过片材的开孔度(openness)来表征,开孔度即由开孔组成的片材的平均表面积在片材中所占的百分数。本发明的开孔结构片材的开孔度通常为10%至95%,优选30%至90%,更优选50%至80%。这有利于保持轻质片材并允许树脂自由穿过。 [0042] 已经发现,即使覆面毡非常轻质,也可以实现剥离力的提高。这对于航空航天结构应用尤为重要。因此,优选开孔结构片材每单位面积的重量为4~50克每平方米(gsm),更优选为4~30gsm,最优选为10~30gsm。 [0043] 本发明的改进的结构板材可广泛地用于各种需要轻质但结构坚固的应用中。然而,该结构板材尤其适用于强度和重量要求特别严格的航空航天应用。 [0044] 根据本发明的夹层板通常由它们的各种部件结构组装在一起,然后通过暴露于升高的温度和任选的升高的压力而使树脂固化,进而使面板与内芯材料牢固地结合。 [0045] 在优选的制作方法中,面板首先与开孔结构片材结合。通常,一定比例的任何未固化树脂将渗入到片材的开孔结构中,从而形成单个材料片材。 [0046] 因此,在另一个方面,本发明涉及一种制造结构板材的方法,包括将第一和第二面板与内芯材料第一和第二相对表面接触,和使它们相互结合,使得开孔结构片材与所述第一和第二相对表面接触,其中所述第一和第二面板各自具有与其紧密结合的开孔结构片材。 [0047] 根据本发明的方法包括上面本发明的结构板材的上下文中讨论的任何技术特征。实施例 [0048] 制造一系列不同的夹层板。每个夹层板包括蜂窝状芯材,其中两个预浸件面板与该芯材的外表面上结合。在根据本发明的实施例中,布置覆面毡与预浸件接触,然后使该改进的预浸件与蜂窝状芯材接触。 [0049] 然后将夹层板在高压釜中固化,温度每分钟升高2℃直到180℃。然后将其在180℃和3bar的压力下放置2小时。 [0050] 之后就固化的板材,测试其爬升式滚筒剥离力数值(根据测试方法EN2243-3),该数值以每75mm宽试条的牛顿数表示。每个覆面毡的面积重量也以每平方米克数(gsm)示于圆括号中。 [0051] 夹层板的性能和爬升式滚筒剥离力的结果如表1所示。 [0052] [0053] 环氧树脂1是得自Hexcel的8552,环氧树脂2是得自Hexcel的M83。两者都是标准的180℃固化的环氧树脂,基于聚醚砜增韧的环氧树脂,包含缩水甘油基胺与芳香胺固 |