專利名稱：一種空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)梁、板、殼結(jié)構(gòu)件，它普遍 應(yīng)用于車輛船舶、防護工程、橋梁建筑等需要輕質(zhì)高強、抗沖擊能力強、負荷較大、防腐等領(lǐng) 域的結(jié)構(gòu)件，如橋面板、列車車廂、集裝箱底板、機場墊板、活動房墻板、橋梁防撞墩等。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)由三部分組成，最外層是面板，主要承受彎曲變形引起的正應(yīng) 力，采用高強、高模量的材料制造，如層壓的碳纖維、玻璃纖維布或芳綸纖維等；中間是芯 材，為夾層結(jié)構(gòu)提供足夠的截面慣性矩以及抗剪面積，主要承受剪應(yīng)力，常用蜂窩、泡沫、輕 木等材料。面板和芯材之間是膠接層，通過樹脂將兩者粘接在一起，常用不飽和聚酯、乙烯 基樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)具有以下特征1)輕質(zhì)高強、剛度大、韌性好、抗疲勞能力強。 通過改變纖維鋪層、芯材種類和厚度以及界面增強構(gòu)造，可以獲得各種工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件所需 的結(jié)構(gòu)性能(抗彎剛度、受彎、受剪和受壓承載力等)。2)保溫隔熱、隔聲、防潮。由于輕質(zhì) 泡沫或輕木芯材屬于多孔結(jié)構(gòu)，且不易吸濕，作為板材使用時將具有良好的節(jié)能效果。3)耐 腐蝕、電磁屏蔽。高強纖維通過樹脂固化作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的面層，具有很好的耐腐蝕能力，可 用于艦船結(jié)構(gòu)構(gòu)件或近海工程，抵御環(huán)境影響、海水侵蝕和雷達偵察。4)綠色高性能結(jié)構(gòu)材 料。新型夾層結(jié)構(gòu)材料在生產(chǎn)過程中不使用大量的礦石資源，不消耗大量能源，不產(chǎn)生環(huán)境 污染。因此，新型夾層結(jié)構(gòu)材料作為綠色高性能結(jié)構(gòu)材料，在一定程度上代替鋼材、混凝土 等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料。復(fù)合材料的應(yīng)用可涉及軍事設(shè)施、國防工程、車輛、艦船、建筑、橋梁等領(lǐng) 域；如發(fā)達國家采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)制造艦船構(gòu)件、火車及大型客車的車廂、集裝箱、運 料罐車以及化工儲罐等；在橋梁建筑領(lǐng)域，可用于屋面板、建筑模板、墻體隔板、橋面板、機 場臨時墊板、輕便舟橋等。由此可見，復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)是一種具有廣闊發(fā)展前景的材料與 結(jié)構(gòu)形式。在我國，已有的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)由于面板與芯材粘結(jié)性弱易剝離，加上聚氨酯 等泡沫芯材的抗壓和抗剪能力較低，因此并不能充分利用纖維面板的抗拉能力，從而使得 此類夾層結(jié)構(gòu)形式不能得以廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對目前泡沫和輕木芯材的抗壓和抗剪能力較低、芯材與面板的 界面粘結(jié)性能弱等技術(shù)的不足，開發(fā)一種新型的空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu) 梁、板、殼等結(jié)構(gòu)件，可顯著提高芯材的抗壓與抗剪能力以及芯材與面板之間的抗剝離能 力。同時，該夾層結(jié)構(gòu)材料在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上可設(shè)計性較強，可以滿足不同工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力需要。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下—種空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)件，它包括芯材1，纏繞纖維布6，其
3特征在于將芯材1纏繞纖維布6，再將纏繞纖維布6的芯材1拼鋪成梁、板或殼形狀，相鄰芯 材1側(cè)面貼合部位(即芯材1的接縫處)纖維布與樹脂固化后形成復(fù)合材料腹板，在芯材 1的上下表面各鋪設(shè)一層或多層纖維布，并與樹脂固化形成面板2。其中，所述的芯材1可以為塊狀或條狀，尺寸、數(shù)量、位置可根據(jù)結(jié)構(gòu)實際受力靈 活采用。所述的芯材1可根據(jù)需要單層單向、單層多向、多層單向或多層多向陣列拼鋪形 成梁、板、殼形狀；所述的復(fù)合材料腹板的平面排列方式優(yōu)選為平行正交布置，沿芯材厚度方向為豎 直布置，形成空間格構(gòu)腹板。即具體為纖維布6與樹脂形成的復(fù)合材料橫向腹板3、纖維布 6與樹脂形成的復(fù)合材料縱向腹板4、纖維布6與樹脂形成的復(fù)合材料水平向腹板5。所述的芯材1為泡沫、輕木或聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、Balsa木、泡桐 木、杉木等。所述的面板2為纖維材質(zhì)，它包括單軸向、雙軸向或多軸向的碳纖維、玻璃纖維、 芳綸纖維或雜交纖維布。所述的樹脂包括不飽和聚酯、乙烯基樹脂、環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂。所述的纏繞芯材的纖維布6以及面板2的纖維布的鋪設(shè)方向與層數(shù)可根據(jù)需要靈 活調(diào)整。所述的纖維布6為玻璃纖維布、碳纖維布、芳綸纖維或雜交纖維布。上述的空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)可以采用如下所述方法制備得 到a.將塊狀或條狀泡沫和輕木芯材1六面纏繞纖維布6 ；b.將處理好的芯材1沿單層單向、單層多向、多層單向或多層多向鋪設(shè)，芯材1的 鋪設(shè)數(shù)量與方向可根據(jù)受力需要任意布置，芯材拼接縫為豎直；可根據(jù)構(gòu)件需要，加工成 梁、板、殼形狀；c將一層或多層纖維布鋪設(shè)于芯材1的上下表面；d.通過真空袋成型工藝、真空導(dǎo)入成型工藝或RTM成型工藝將樹脂灌入到真空袋 或模具中；e.待樹脂固化成型后，取出，纖維布層與樹脂固化成面板2，相鄰芯材接縫位置與 樹脂形成復(fù)合材料腹板3、4、5。即可獲得一種芯材抗壓與抗剪能力以及面板與芯材之間粘結(jié)能力得以顯著提高 的空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)比較本發(fā)明有益效果本發(fā)明將加工好的芯材纏繞纖維布，拼鋪成梁、 板、殼形狀，相鄰芯材接縫處的纖維布與樹脂固化后形成空間復(fù)合材料腹板?？臻g纖維腹板 增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)與其他夾層結(jié)構(gòu)相比，其顯著的特點在于纏繞纖維后的芯材由于 復(fù)合材料腹板的約束作用，力學(xué)性能顯著提高，進而提高結(jié)構(gòu)的整體受力性能；同時，空間 纖維腹板與上下面板形成連通整體將芯材包裹，增加了面板與芯材的接觸面積，增強了面 板與芯材間的抗剝離能力。另外，芯材可根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點調(diào)整規(guī)格與尺寸，得到多種結(jié) 構(gòu)外形與內(nèi)部腹板構(gòu)造，更便于結(jié)構(gòu)設(shè)計。本發(fā)明可普遍應(yīng)用于車輛船舶、防護工程、橋梁 建筑等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)件，如橋面板、列車車廂、活動房墻板等。


圖1-4為經(jīng)過手糊工藝、真空袋成型工藝、真空導(dǎo)入成型工藝或RTM等成型工藝最 終成型的典型空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)梁、板、殼結(jié)構(gòu)件示意圖；圖5-6為一種雙層單向空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)梁、板、殼結(jié)構(gòu)件 示意圖。圖7-8為一種單層單向空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)梁、板、殼結(jié)構(gòu)件 示意圖。圖9-10為一種單層雙向空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)梁、板、殼結(jié)構(gòu)件 示意圖。圖11-12為本發(fā)明空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)梁、板、殼結(jié)構(gòu)件示意 圖。圖13-14為本發(fā)明空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)梁、板、殼結(jié)構(gòu)件示意 圖。圖中1為芯材；2為面板；3為纖維布與樹脂形成的復(fù)合材料橫向腹板；4為纖維 布與樹脂形成的復(fù)合材料縱向腹板；5為纖維布與樹脂形成的復(fù)合材料水平向腹板；6為用 于纏繞芯材的纖維布。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步地說明實施例1參閱圖1-4，本發(fā)明的空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，它包括聚氯乙烯泡 沫材質(zhì)的芯材1，為加工制作好的塊狀芯材，纏繞一層雙軸向玻璃纖維布6，后將芯材雙層 雙向拼鋪成板狀，芯材1接縫處纖維布6與環(huán)氧樹脂固化后形成腹板3、4、5，在芯材1的上 下表面均鋪設(shè)有兩層雙軸向玻璃纖布6，與環(huán)氧樹脂固化形成玻璃纖維面板2。實施例2參閱圖5-6，本發(fā)明的空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，它包括泡桐木材質(zhì) 的芯材1，為加工制作好的條狀芯材，纏繞兩層雙軸向碳纖維布6，后將芯材雙層單向拼鋪 成板狀，芯材1接縫處碳纖維布6與乙烯基樹脂固化后形成樹脂腹板4、5，在芯材1的上表 面鋪設(shè)有三層四軸向芳綸纖維布層，在芯材1的下表面三層四軸向碳纖維布6，與乙烯基樹 脂固化形成纖維面板2。如實施例1所述，但根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特征，芯材可多層單向布置。實施例3參閱圖7-10，本發(fā)明的發(fā)明纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，它包括聚氨酯泡 沫材質(zhì)的芯材1，為加工制作好的塊狀、條狀芯材，纏繞一層雙軸向玻璃纖維布6，后將芯材 1單層雙向拼鋪成板狀，芯材接縫處玻璃纖維布與酚醛樹脂固化后形成樹脂腹板3、4，在芯 材1的上表面鋪設(shè)有三層四軸向玻璃纖維布層，下表面鋪設(shè)有五層四軸向玻璃纖維布6，與 酚醛樹脂固化形成纖維面板2。如實施例1或2所述，但芯材可單層布置，且布置于芯材上下表面的纖維面板2的
厚度可一致，也可不一致。
實施例4參閱圖11-12，本發(fā)明的發(fā)明纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，它包括聚氨酯泡 沫材質(zhì)的芯材1，為加工制作好的不同規(guī)格的塊狀、條狀芯材，纏繞兩層雙軸向玻璃纖維布 6，后將芯材多層雙向拼鋪成梁狀，芯材接縫處玻璃纖維布與乙烯基樹脂固化后形成樹脂腹 板3、4，5，腹板3、4的間距可通過芯材1的尺寸規(guī)格控制，在芯材1的上表面鋪設(shè)有兩層四 軸向玻璃纖維布層，下表面鋪設(shè)有四層四軸向玻璃纖維布層，與乙烯基樹脂固化形成纖維 面板2。如實施例1所述，但一方面該夾層結(jié)構(gòu)從外觀上是梁結(jié)構(gòu)，另外芯材可根據(jù)需要 采用兩種以上規(guī)格，使芯材接縫處形成的腹板間距沿梁長度方向有變化。實施例5參閱圖13-14，本發(fā)明的發(fā)明纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，它包括Balsa木 的芯材1，為加工制作好的棱臺狀，纏繞一層雙軸向芳綸纖維布6，后將芯材1單層雙向拼鋪 成殼狀，芯材接縫處芳綸纖維布與環(huán)氧樹脂固化后形成樹脂腹板3、4，在芯材1的上表面鋪 設(shè)有四層四軸向芳綸纖維布層，下表面鋪設(shè)有四層四軸向芳綸纖維布層，與環(huán)氧樹脂固化 形成纖維面板2。如實施例3所述，但芯材事先裁剪為棱臺狀，形成的夾層結(jié)構(gòu)從外觀上是殼結(jié)構(gòu)。上述空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的制備方法如下a.將泡沫(包括聚氨酯、聚氯乙烯、碳泡沫等)和輕木(包括=Balsa木、泡桐木、 杉木等)加工制作成塊狀或條狀芯材1，纏繞一層或多層纖維布6(包括單軸向、雙軸向或 多軸向的碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維以及雜交纖維布等)，后將芯材1按設(shè)計要求拼鋪成 板、梁、殼形狀，平面方向上可單向或雙向，厚度方向可一層或多層，芯材的尺寸與數(shù)量可根 據(jù)結(jié)構(gòu)使用階段受力需要進行布置；b.將一層或多層纖維布6(包括單軸向、雙軸向或多軸向的碳纖維、玻璃纖維、芳 綸纖維以及雜交纖維布等)鋪設(shè)于芯材1的上下表面；c.通過真空袋成型工藝、真空導(dǎo)入成型工藝或RTM成型工藝將樹脂(包括不飽 和聚酯、乙烯基樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等)灌入到真空袋或模具中；d.待樹脂固化成型后，取出，纖維布層與樹脂固化成面板2，芯材接縫處纖維布與 乙烯基樹脂固化后形成樹脂腹板3、4、5或樹脂腹板3、4或樹脂腹板4、5。即可獲得一種整體抗彎能力、芯材抗壓與抗剪能力以及面板與芯材之間粘結(jié)能力 得以顯著提高的空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
一種空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)件，它包括芯材(1)，其特征在于將芯材(1)纏繞纖維布(6)，再將纏繞纖維布(6)的芯材(1)拼鋪成梁、板或殼形狀，芯材(1)的接縫處纖維布(6)與樹脂固化后形成復(fù)合材料腹板，在芯材(1)的上下表面各鋪設(shè)一層或多層纖維布(6)，與樹脂固化形成面板(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)件，其特征在于所述 的芯材(1)為塊狀或條狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)件，其特征在于所述 的芯材(1)單層單向、單層多向、多層單向或多層多向拼鋪成梁、板或殼形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)件，其特征在于所述 的復(fù)合材料腹板為纖維布(6)與樹脂形成的復(fù)合材料橫向腹板(3)、纖維布(6)與樹脂形成 的復(fù)合材料縱向腹板(4)、纖維布(6)與樹脂形成的復(fù)合材料水平向腹板(5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)件，其特征在于所述 的芯材(1)為泡沫、輕木、聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、碳泡沫、Balsa木、泡桐木或杉木。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)件，其特征在于所述 的面板(2)為纖維材質(zhì)，面板(2)的纖維布的鋪設(shè)方向為單軸向、雙軸向或多軸向。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)件，其特征在于所述 的纖維材質(zhì)為碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維或雜交纖維布。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)件，其特征在于所述 的樹脂為乙烯基樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂或不飽和聚酯。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)件，其特征在于所述 的纖維布(6)為玻璃纖維布、碳纖維布、芳綸纖維或雜交纖維布。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空間纖維腹板增強型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)件，它包括芯材(1)，其特征在于將芯材(1)纏繞纖維布(6)，再將纏繞纖維布(6)的芯材(1)拼鋪成梁、板或殼形狀，芯材(1)的接縫處纖維布(6)與樹脂固化后形成復(fù)合材料腹板，在芯材(1)的上下表面各鋪設(shè)一層或多層纖維布(6)，與樹脂固化形成面板(2)。本發(fā)明力學(xué)性能顯著提高，進而提高結(jié)構(gòu)的整體受力性能；同時，空間纖維腹板與上下面板形成連通整體將芯材包裹，增加了面板與芯材的接觸面積，增強了面板與芯材間的抗剝離能力。另外，芯材可根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點調(diào)整規(guī)格與尺寸，得到多種結(jié)構(gòu)外形與內(nèi)部腹板構(gòu)造，更便于結(jié)構(gòu)設(shè)計。
文檔編號B32B27/06GK101954761SQ20101024
公開日2011年1月26日 申請日期2010年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月3日
發(fā)明者劉偉慶, 孫小鸞, 方海, 陸偉東, 陳寬 申請人:南京工業(yè)大學(xué)