本發(fā)明涉及一種高性能熱塑性復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯平板及其制備方法。

背景技術(shù)：

點(diǎn)陣夾芯復(fù)合材料是極具潛力的先進(jìn)輕質(zhì)多功能結(jié)構(gòu)材料，與傳統(tǒng)材料相比，點(diǎn)陣夾芯復(fù)合材料具有密度小、比模量高、比強(qiáng)度大等一系列優(yōu)異性能。連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料最突出優(yōu)點(diǎn)是具有較高的韌性、優(yōu)秀的損傷容限性能以及良好的抗沖擊性能,有利于克服熱固性樹脂基復(fù)合材料層間韌性不足和沖擊分層的缺點(diǎn)，可應(yīng)用于使用環(huán)境較為苛刻、承載能力要求較高、容易受到強(qiáng)烈沖擊的場合。隨著熱塑性復(fù)合材料得到更廣泛的應(yīng)用，對熱塑性復(fù)合材料連接的研究得到了發(fā)展。相比于傳統(tǒng)的復(fù)合材料膠接技術(shù)，超聲焊接技術(shù)是一項(xiàng)非常快速和短周期的連接技術(shù)，并且該技術(shù)已應(yīng)用于波音新一代客機(jī)機(jī)翼前緣筋與蒙皮的連接。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種高性能熱塑性復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯平板低成本制備方法，解決了目前芯子制備工藝復(fù)雜，手工操作過多，制備效率低，性能不可靠等一系列問題。此外，利用熱塑性復(fù)合材料焊接技術(shù)，解決傳統(tǒng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接困難，性能下降等問題。

本發(fā)明的一種高性能熱塑性復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯平板的制備方法，它是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的：

步驟一：制備熱壓模具，在熱壓之前，先用丙酮對模具進(jìn)行清洗，然后將脫模劑均勻涂抹在模具表面，將模具放入烘干箱，將溫度設(shè)為230℃；

步驟二：重復(fù)步驟一兩次；

步驟三：根據(jù)鋪層要求裁剪連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料；

步驟四：熱壓前再次對熱壓模具涂抹脫模劑，將裁剪好的預(yù)浸料按照設(shè)計(jì)的鋪層要求在熱壓模具中鋪設(shè)好，采用熱壓機(jī)進(jìn)行層合板的壓制，熱壓工藝為先從室溫升至380℃，升溫時(shí)間為1.5～3h，待溫度達(dá)到380℃后，施加10個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)，保溫保壓30min，隨后在保壓狀態(tài)下自然冷卻至室溫，開模，脫模得到連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料層合板；

步驟五：在上述壓制成型的復(fù)合材料層合板上繪制出多個(gè)梯形；

步驟六：采用水切割工藝，按照步驟五中所繪制完畢的多個(gè)梯形，對復(fù)合材料層板進(jìn)行逐一切割，使得復(fù)合材料層板上加工出多個(gè)梯形孔；

步驟七：將步驟六剪裁出梯形孔的芯子層合板放入專用模具中，進(jìn)行熱壓成型，即可獲得金字塔點(diǎn)陣芯子；

步驟八：使用與步驟四相同的工藝制備點(diǎn)陣夾芯平板的上下面板；

步驟九：利用熱塑性復(fù)合材料超聲焊接技術(shù)將金字塔點(diǎn)陣芯子與復(fù)合材料上下面板進(jìn)行連接，形成熱塑性復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯平板。

本發(fā)明的一種高性能熱塑性復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯平板，其特征在于它包括熱塑性復(fù)合材料金字塔型點(diǎn)陣芯子、熱塑性復(fù)合材料上面板和熱塑性復(fù)合材料下面板；

所述熱塑性復(fù)合材料金字塔型點(diǎn)陣芯子包括多個(gè)金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單胞，每個(gè)金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單胞是由五根桿件組成具有梯型的一體件，所述的五根桿件包括上端桿、兩個(gè)下端桿和兩個(gè)連接桿；

所述兩個(gè)下端桿和上端桿相互平行，所述上端桿和兩個(gè)下端桿之間通過兩個(gè)連接桿連接形成梯型的一體件，其中，每個(gè)下端桿的一端分別與兩個(gè)連接桿一端連接，兩個(gè)連接桿的另一端分別與上端桿的兩端連接；

每個(gè)金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單胞中的上端桿表面與熱塑性復(fù)合材料上面板連接，兩個(gè)下端桿表面與熱塑性復(fù)合材料下面板連接。

本發(fā)明包含以下有益效果：

本發(fā)明在材料的選用上，使用的是連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，相比于傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料，熱塑性復(fù)合材料具有更好的抗沖擊性能，且成型工藝簡單，多次加工以及回收利用；在復(fù)合材料芯子的制備上，本發(fā)明采用先將預(yù)浸料壓制成層合板，再進(jìn)行梯形孔的加工，進(jìn)而利用模具加工成型，制備過程簡單，操作方便，工作效率高；并且，相比于先在預(yù)浸料加工梯形孔再進(jìn)行壓制的方法，本發(fā)明具有更好的結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性，不存在預(yù)浸料間梯形孔錯(cuò)位的問題，因此力學(xué)性能也更加優(yōu)異；本發(fā)明在上下面板與芯子的連接上采用超聲焊接技術(shù)，不同于熱固性復(fù)合材料的膠接技術(shù)，熱塑性復(fù)合材料焊接技術(shù)可以獲得更加良好的界面，減少界面缺陷，增加結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能及性能穩(wěn)定性，并且超聲焊接技術(shù)操作方便，加工效率高，此外，熱塑性復(fù)合材料點(diǎn)陣可以后期拼接焊接，適合制備大型構(gòu)件；本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)純機(jī)械化生產(chǎn)，適用范圍廣泛，制備周期短，成本低廉，適用于實(shí)驗(yàn)室研究及工廠批量生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中復(fù)合材料層板上加工出的若干個(gè)梯形孔的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是專用模具的主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是金字塔點(diǎn)陣芯子的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是點(diǎn)陣芯子的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單胞的主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是熱塑性復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯平板的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1至圖6說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的一種高性能熱塑性復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯平板的制備方法，它是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的：

步驟一：制備熱壓模具，在熱壓之前，先用丙酮對模具進(jìn)行清洗，然后將脫模劑均勻涂抹在模具表面，將模具放入烘干箱，將溫度設(shè)為230℃；

步驟二：重復(fù)步驟一兩次；

步驟三：根據(jù)鋪層要求裁剪連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料；

步驟四：熱壓前再次對熱壓模具涂抹脫模劑，將裁剪好的預(yù)浸料按照設(shè)計(jì)的鋪層要求在熱壓模具中鋪設(shè)好，采用熱壓機(jī)進(jìn)行層合板的壓制，熱壓工藝為先從室溫升至380℃，升溫時(shí)間為1.5～3h，待溫度達(dá)到380℃后，施加10個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)，保溫保壓30min，隨后在保壓狀態(tài)下自然冷卻至室溫，開模，脫模得到連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料層合板；

步驟五：在上述壓制成型的復(fù)合材料層合板上繪制出多個(gè)梯形；

步驟六：采用水切割工藝，按照步驟五中所繪制完畢的多個(gè)梯形，對復(fù)合材料層板進(jìn)行逐一切割，使得復(fù)合材料層板上加工出多個(gè)梯形孔；

步驟七：將步驟六剪裁出梯形孔的芯子層合板放入專用模具中，進(jìn)行熱壓成型，即可獲得金字塔點(diǎn)陣芯子；

步驟八：使用與步驟四相同的工藝制備點(diǎn)陣夾芯平板的上下面板；

步驟九：利用熱塑性復(fù)合材料超聲焊接技術(shù)將金字塔點(diǎn)陣芯子與復(fù)合材料上下面板進(jìn)行連接，形成熱塑性復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯平板。

具體實(shí)施方式二：結(jié)合圖1至圖6說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同點(diǎn)在于：步驟四中熱壓機(jī)內(nèi)部成形溫度為380℃，成型壓力為1mpa，保溫保壓時(shí)間為30min。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：結(jié)合圖1至圖6說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同點(diǎn)在于：所述的熱壓模具包括上模具和下模具，其中上模具的形狀為轉(zhuǎn)角135°的梯形，下模具同樣為轉(zhuǎn)角135°的梯形模具。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式四：結(jié)合圖1至圖6說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的一種高性能熱塑性復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯平板，它包括熱塑性復(fù)合材料金字塔型點(diǎn)陣芯子1、熱塑性復(fù)合材料上面板2和熱塑性復(fù)合材料下面板3；

所述熱塑性復(fù)合材料金字塔型點(diǎn)陣芯子1包括多個(gè)金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單胞4，每個(gè)金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單胞4是由五根桿件組成具有梯型的一體件，所述的五根桿件包括上端桿4-1、兩個(gè)下端桿4-2和兩個(gè)連接桿4-3；

所述兩個(gè)下端桿4-2和上端桿4-1相互平行，所述上端桿4-1和兩個(gè)下端桿4-2之間通過兩個(gè)連接桿4-3連接形成梯型的一體件，其中，每個(gè)下端桿4-2的一端分別與兩個(gè)連接桿4-3一端連接，兩個(gè)連接桿4-3的另一端分別與上端桿4-1的兩端連接；

每個(gè)金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單胞4中的上端桿4-1表面與熱塑性復(fù)合材料上面板2連接，兩個(gè)下端桿4-2表面與熱塑性復(fù)合材料下面板3連接。

具體實(shí)施方式五：結(jié)合圖1至圖6說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同點(diǎn)在于：所述的熱塑性復(fù)合材料上面板2與多個(gè)金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單胞4中的上端桿4-1連接。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式六：結(jié)合圖1至圖6說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同點(diǎn)在于：所述的熱塑性復(fù)合材料下面板3與多個(gè)金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單胞4中的下端桿4-2連接，且相鄰的兩個(gè)金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單胞4中的下端桿4-2連接在同一熱塑性復(fù)合材料下面板3上。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式七：結(jié)合圖1至圖6說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同點(diǎn)在于：所述的上端桿4-1表面與熱塑性復(fù)合材料上面板2的連接以及兩個(gè)下端桿4-2表面與熱塑性復(fù)合材料下面板3連接，均是通過熱塑性復(fù)合材料焊接技術(shù)連接。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式八：結(jié)合圖1至圖6說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同點(diǎn)在于：熱塑性復(fù)合材料上面板2以及熱塑性復(fù)合材料下面板3均是由碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料制成。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式一相同。

本發(fā)明內(nèi)容不僅限于上述各實(shí)施方式的內(nèi)容，其中一個(gè)或幾個(gè)具體實(shí)施方式的組合同樣也可以實(shí)現(xiàn)發(fā)明的目的。

通過以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：

實(shí)施例1

本實(shí)施例的一種高性能熱塑性復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯平板，它包括熱塑性復(fù)合材料金字塔型點(diǎn)陣芯子1、熱塑性復(fù)合材料上面板2和熱塑性復(fù)合材料下面板3；

所述熱塑性復(fù)合材料金字塔型點(diǎn)陣芯子1包括多個(gè)金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單胞4，每個(gè)金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單胞4是由五根桿件組成具有梯型的一體件，所述的五根桿件包括上端桿4-1、兩個(gè)下端桿4-2和兩個(gè)連接桿4-3；

所述兩個(gè)下端桿4-2和上端桿4-1相互平行，所述上端桿4-1和兩個(gè)下端桿4-2之間通過兩個(gè)連接桿4-3連接形成梯型的一體件，其中，每個(gè)下端桿4-2的一端分別與兩個(gè)連接桿4-3一端連接，兩個(gè)連接桿4-3的另一端分別與上端桿4-1的兩端連接；

每個(gè)金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單胞4中的上端桿4-1表面與熱塑性復(fù)合材料上面板2連接，兩個(gè)下端桿4-2表面與熱塑性復(fù)合材料下面板3連接。

它是按照以下步驟進(jìn)行制備的：

步驟一：制備熱壓模具，在熱壓之前，先用丙酮對模具進(jìn)行清洗，然后將脫模劑均勻涂抹在模具表面，將模具放入烘干箱，將溫度設(shè)為230℃；

步驟二：重復(fù)步驟一兩次；

步驟三：根據(jù)鋪層要求裁剪連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料；

步驟四：熱壓前再次對熱壓模具涂抹脫模劑，將裁剪好的預(yù)浸料按照設(shè)計(jì)的鋪層要求在熱壓模具中鋪設(shè)好，采用熱壓機(jī)進(jìn)行層合板的壓制，熱壓工藝為先從室溫升至380℃，升溫時(shí)間為1.5～3h，待溫度達(dá)到380℃后，施加10個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)，保溫保壓30min，隨后在保壓狀態(tài)下自然冷卻至室溫，開模，脫模得到連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料層合板；

步驟五：在上述壓制成型的復(fù)合材料層合板上繪制出多個(gè)梯形；

步驟六：采用水切割工藝，按照步驟五中所繪制完畢的多個(gè)梯形，對復(fù)合材料層板進(jìn)行逐一切割，使得復(fù)合材料層板上加工出多個(gè)梯形孔；

步驟七：將步驟六剪裁出梯形孔的芯子層合板放入專用模具中，進(jìn)行熱壓成型，即可獲得金字塔點(diǎn)陣芯子；

步驟八：使用與步驟四相同的工藝制備點(diǎn)陣夾芯平板的上下面板；

步驟九：利用熱塑性復(fù)合材料超聲焊接技術(shù)將金字塔點(diǎn)陣芯子與復(fù)合材料上下面板進(jìn)行連接，形成熱塑性復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯平板。

本實(shí)施例制備的熱塑性復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯平板的相關(guān)性能數(shù)據(jù)如表1所示。

表1熱塑性復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯平板性能

本發(fā)明是以as4/peek為原材料。由表中數(shù)據(jù)我們可以看出，較傳統(tǒng)的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量。以0°層合板為例，as4/peek的拉伸強(qiáng)度為2280mpa，超過mt300/603的1840mpa達(dá)20％以上。此外，as4/peek的彎曲強(qiáng)度較mt300/603也有明顯提升。

在復(fù)合材料層合板的應(yīng)用過程中，最主要的失效形式之一就是層間開裂，這與材料的層間剪切強(qiáng)度有著密不可分的聯(lián)系。而as4/peek的層間剪切強(qiáng)度達(dá)到了152mpa，較環(huán)氧基體中層間剪切強(qiáng)度較高的t700s/603的93mpa，高出60％以上。as4/peek的應(yīng)用將會(huì)對復(fù)合材料層合板的應(yīng)用發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。

熱塑性復(fù)合材料的連接上也不同于熱固性復(fù)合材料的膠接。超聲焊接技術(shù)首先將被連接部位在壓力的用下固定，然后施加高頻率的震動(dòng)，在熱塑性材料表面和分子鏈間的摩擦作用下產(chǎn)生熱量。當(dāng)溫度達(dá)到能量導(dǎo)向薄膜的熔融溫度，它將在壓力的作用下流動(dòng)，浸潤被連接部件的表面，同時(shí)界面中的高分子鏈發(fā)生擴(kuò)散和纏繞，從而形成連接。較之熱固性復(fù)合材料的膠接技術(shù)，此技術(shù)可以獲得更加良好的界面，減少界面缺陷，增加結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能及性能穩(wěn)定性，獲得更高的層間剪切強(qiáng)度。