一种三维开孔复合材料夹层结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及复合材料领域，尤其涉及一种三维开孔复合材料夹层结构及其制备方法。

背景技术：

2.夹层结构材料由于有着夹层层的存在，因此，可以针对工作环境的不同条件和要求，有目的地设计其芯体结构，通过将高强度面板与低密度芯元的组合，在轻量化的基础上实现刚度和强度优化的夹层板材，具有轻质高强、高效散热隔热、抗爆抗冲击以及吸声降噪等诸多特殊功能，可以应用防空航天、工业生产和汽车交通等领域。夹层结构复合材料存在多种拓扑结构，改造空间大，应用范围广泛。常用的复合材料夹层结构主要分成两大类：复合材料蜂窝结构和复合材料点阵结构。
3.复合材料夹层结构通常是由上下两层力学强度较高的薄面板和中间承载能力较弱的芯层通过胶接或焊接而形成的一种特殊结构的复合材料。夹层结构中上下面板是主要承力部分，其作用是提供材料结构所需的面内拉压刚度、面内剪切强度以及弯曲刚度；芯材的主要作用是增加结构的稳定性，主要承担由横向力产生的剪应力，芯材主要由轻质材料材料制备而成，轻质芯材的引入，在大大降低夹层结构质量的前提下增加上、下面板间的距离，从而提高夹层结构的惯性矩，有效地提高了夹层结构的抗弯刚度和抗扭刚度。
4.蜂窝夹层结构是指在两个薄蒙皮之间，夹上轻质芯材的一种层合复合材料。点阵结构材料是由结点和结点间连接杆件的单元组成的，并按一定的规则重复排列的空间网架结构材料，又称为“桁架结构”。蜂窝结构是一种常用的工程结构，主要包括以下几种拓扑结构：三角形结构、四边形结构、六边形结构、kagome结构、金刚石形结构和米字形结构等，这些结构中芯材的侧壁都是竖直的，侧壁垂直于蒙皮，夹层结构能够承受较大的平压力，但由于蒙皮的弹性模量和强度很高，若夹芯的剪切强度和剪切断裂伸长率与之匹配较差，使得夹层结构对弯曲载荷的抗形变性能差，较小的弯曲载荷都会导致蒙皮与夹芯的分离，甚至夹芯断裂。常规蜂窝结构的夹层结构复合材料常存在该力学性能缺陷。

技术实现要素：

5.本发明针对现有蜂窝夹层结构复合材料存在抗形变能力差的问题，提供一种三维开孔复合材料夹层结构，由开孔芯层和覆于所述开孔芯层两面的蒙皮构成，开孔芯层由芯胞按顺序重复排布构成，芯胞为四个形状相同的等腰梯形侧壁组成的正四棱台，排布顺序为：某一个芯胞的小方孔向上，四个芯胞的大方孔向上，每个大方孔向上的芯胞的一条侧棱与该芯胞的一个侧棱贴合；所述蒙皮为纤维布，采用胶黏剂与所述开孔芯层粘结。
6.热塑性聚合物聚乳酸（pla）是基于自然资源生产出的可再生资源的生物可降解材料，可以通过水解变成乳酸，并可一个月内完全降解，pla还具有良好的机械性能。本发明开孔芯层采用聚乳酸，可保证足够的机械性能的同时还满足环保要求。此外，聚乳酸还具有较好的熔融流动性，适用于3d打印成型。本发明开孔芯层即可采用3d打印制备。本发明采用
fdm3d打印机，包括导纱罗拉、加热块、喷嘴和打印平台，打印方法为：将设计好的开孔芯层三维模型数据导入，将聚乳酸线材放置在聚乳酸线材盘上，将聚乳酸纤维穿过导纱罗拉进入融入腔，加热块升温将聚乳酸纤维熔融，运行打印程序，在打印平台上打印出开孔芯层，根据设计需要，可调节侧壁厚度为0.6-1mm，侧壁与大方孔平面的夹角为50
°‑
85
°
，打印出的开孔芯层厚度在6-10mm之间。具体打印参数如表1所示。
7.表1. 3d打印参数设计值打印参数设计值打印层高0.1mm打印速度60mm/s打印方向z方向填充密度100%喷嘴打印温度210℃平台温度60℃蒙皮为碳纤维复合材料，材质为t300-24k单向碳纤维预浸料，总厚度为0.6-1mm。用环氧胶将t300-24k单向碳纤维预浸料粘结在开孔芯层两侧，加热加压，保持一段时间后即可制得本发明三维开孔复合材料夹层结构。
8.蒙皮可以使多层t300-24k单向碳纤维预浸料，一般不超过四层，相邻两层顺时针或逆时针固定夹角排布。多层t300-24k单向碳纤维预浸料形成的蒙皮强度更高。
附图说明
9.图1为本发明开孔芯层的结构示意图；图2为本发明开孔芯层的平面图；图3为图2a处芯胞的结构示意图，其中，标号1-4分别为：1、侧壁，2、侧棱，3、小方孔，4、大方孔；图4为实施例1开孔芯层的实物剖面图；图5为实施例1-3和对比例1的平压强度随芯层高度变化图；图6为实施例1-3和对比例1的极限载荷随芯层高度变化图；图7为fdm3d打印原理示意图。
具体实施方式
10.以下实施例结合附图，仅是为了对权利要求书中所记载的技术方案加以说明，并非是对权利要求保护范围的限制。
11.如图1-4所示，本发明实施例1-3三维开孔复合材料夹层结构均是由聚乳酸开孔芯层和覆于开孔芯层两面的碳纤维复合材料蒙皮，开孔芯层由芯胞按顺序重复排布构成，芯胞为四个形状相同的等腰梯形侧壁1组成的正四棱台，排布顺序为：某一个芯胞的小方孔3向上，四个芯胞的大方孔4向上，每个大方孔4向上的芯胞的一条侧棱2与该芯胞的一个侧棱2贴合；采用fdm3d打印机，如图7所示，包括导纱罗拉、加热块、喷嘴和打印平台，打印方法为：将设计好的开孔芯层三维模型数据导入，将聚乳酸线材放置在聚乳酸线材盘上，将聚乳酸纤维穿过导纱罗拉进入融入腔，加热块升温将聚乳酸纤维熔融，运行打印程序，在打印平
台上打印出开孔芯层。3d打印开孔芯层的具体操作为：利用ug三维建模软件，绘制出三维开孔夹芯层，开孔芯层的面积为250mm*250mm，同时将绘制好的模型以stl格式导出；使用samplify3d切片软件对其进行切片从而得到各层的打印路径，打印过程要保证第一层与打印平台粘接牢固，防止在后续打印过程中温度变化而产生边角的翘曲，设置首层打印的速度为原打印速度的25%，打印边长壁厚增大为原来的120%，从而确保打印件与平台的粘接，按照一定的打印参数的设计值打印成型后制得开孔芯层。
12.将t300-24k单向碳纤维/环氧树脂预浸料剪裁成260mm*260mm，先在预浸料的下方铺一层真空袋膜和一层脱模布，在预浸料的上边依次再铺贴一层脱模布和真空袋膜；将铺贴好的试验样品放置在平板硫化机的加热平台，升温至75℃，以0.1mpa保压0.5h，低温融料使得树脂能够与纤维充分浸润；之后升温至120 ℃，以0.8mpa保压2h，之后停止加热，继续保压至60℃后脱模，获得厚度为0.6mm的碳纤维复合材料层合板蒙皮；对制备好的面板及开孔芯层进行表面处理，将被粘表面用砂轮打磨平整，将表面的树脂打磨掉露出纤维丝，但不要将纤维丝磨断，通过物理打磨的方式使得粘接表面粗糙度提高，提高粘接性能；然后用丙酮或酒精溶剂将粘接表面清洗干净，去除表面的粉末和其他杂质，清洁后的表面应尽快施胶，以免清洗后的表面被氧化或污染；进行施胶，按重量比2:1将结构胶的ab组分混合，并用玻璃棒搅拌至颜均一，将胶涂抹到面板被粘表面，用刮板将结构胶刮涂均匀，确保不缺胶；进行粘接固化，将面板放置在干净的铝板表面，将上、下面板与3d打印好的开孔芯层对齐粘接好，在上方依次铺上脱模布和透气毡，在铝板四周粘上密封胶条用真空袋膜将整体封装，将封装好的试样放入烘箱，抽真空，加热温度为40℃，固化时间2h，固化好之后按照上述步骤继续固化另一层板，最终获得三维开孔复合材料夹层结构。
13.实施例1-3三维开孔复合材料夹层结构的侧壁厚度为0.6mm，侧壁与大方孔的夹角分别为60
°
、70
°
和80
°
，每一实施例均打印出厚度为6mm、7mm、8mm、9mm和10mm的开孔芯层。
14.对比例1的侧壁与大方孔的夹角为90
°
，其余与实施例1-3相同。
15.一、弯曲性能测试依照国标《夹层结构弯曲性能试验方法》(gb/t1456-2005)，通过夹层结构长梁试样的三点弯曲试验对实施例1-3和对比例1夹层结构进行弯曲性能测试：将试样安放在弯曲试验的支座上，试样跨距l设为120mm，加上加载压头，保证压头在试样的中间位置，并在压头与试样之间垫上一块硬质橡胶垫片，调整试验机零点，试验开始时压头以2mm/min的加载速度向下施加载荷。观察载荷－位移曲线，直到试样发生破坏即载荷发生突降，此时停止对试样的加载。弯曲强度和极限载荷结果如表2和表3所示。
16.表2.实施例1-3和对比例1夹层结构的弯曲强度(mpa)
表3.实施例1-3和对比例1夹层结构的极限载荷(n)从表2和表3的数据可以看出，实施例1-3的弯曲强度和极限载荷均高于对比例1。
17.二、平压性能测试依照国标《夹层结构平压性能试验方法》(gb/t1453-2005)对实施例1-3和对比例1夹层结构进行平压性能测试：将试样安放在压缩夹具上，调整试验机零点，沿垂直夹层结构蒙皮方向施加压缩载荷，加载速度为2mm/min。观察载荷－位移曲线，直到试样发生破坏即载荷发生突降，此时停止对试样的加载，读取破坏载荷，测出平压强度和极限载荷，如图5和图6所示。
18.从图5和图6的曲线可以看出，平压时，实施例1-3侧壁倾斜的平压强度和极限载荷均不低于对比例1侧壁垂直的对于指标，常规认知为垂直侧壁的平压性能最好，而实施例1-3倾斜侧壁的平压性能优于垂直侧壁，尤其是芯层厚度为9mm和10mm时，实施例1-3的两项指标提升尤为明显。
19.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种三维开孔复合材料夹层结构，由开孔芯层和覆于所述开孔芯层两面的蒙皮构成，其特征在于，所述开孔芯层由芯胞按顺序重复排布构成，所述芯胞为四个形状相同的等腰梯形侧壁组成的正四棱台，排布顺序为：某一个芯胞的小方孔向上，四个芯胞的大方孔向上，每个大方孔向上的芯胞的一条侧棱与该芯胞的一个侧棱贴合；所述蒙皮为纤维布，采用胶黏剂与所述开孔芯层粘结。2.根据权利要求1所述的三维开孔复合材料夹层结构，其特征在于，所述开孔芯层材质为聚乳酸，厚度为6-10mm，侧壁厚度为0.6-1mm。3.根据权利要求1或2所述的三维开孔复合材料夹层结构，其特征在于，所述侧壁与所述大方孔平面的夹角为50
°‑
85
°
。4.根据权利要求1所述的三维开孔复合材料夹层结构，其特征在于，所述蒙皮为t300-24k单向碳纤维预浸料制成的复合材料，厚度为0.6-1mm。5.一种如权利要求1-4任一项所述的三维开孔复合材料夹层结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用fdm3d打印机，包括导纱罗拉、加热块、喷嘴和打印平台，打印方法为：将设计好的开孔芯层三维模型数据导入，将聚乳酸线材放置在聚乳酸线材盘上，将聚乳酸纤维穿过导纱罗拉进入融入腔，加热块升温将聚乳酸纤维熔融，运行打印程序，在打印平台上打印出开孔芯层；用环氧胶将t300-24k单向碳纤维预浸料粘结在开孔芯层两侧，加热加压，保持一段时间后制得。6.根据权利要求5所述的三维开孔复合材料夹层结构的制备方法，其特征在于，所述t300-24k单向碳纤维预浸料为1-4层。

技术总结

本发明涉及一种三维开孔复合材料夹层结构，由开孔芯层和覆于其两面的蒙皮构成，开孔芯层由芯胞按顺序重复排布构成，芯胞为四个形状相同的等腰梯形侧壁组成的正四棱台，芯胞排布顺序为：某一个芯胞的小方孔向上，四个芯胞的大方孔向上，每个大方孔向上的芯胞的一条侧棱与该芯胞的一个侧棱贴合；蒙皮为纤维布，采用胶黏剂与开孔芯层粘结。与现有侧壁垂直的蜂窝结构的夹层复合材料相比，本发明三维开孔复合材料夹层结构的弯曲性能和平压性能明显提高。高。高。