一种航空餐车用泡沫夹心复合材料及其制备方法与流程

本发明属于航空餐车生产制造领域，具体涉及一种航空餐车用泡沫夹心复合材料及其制备方法。

背景技术：

在随着民航业快速发展以及环境保护要求日趋严格的大背景下，各国对民航客机的节能减排极其重视。航空餐车作为民航客机服务中不可或缺的一部分，现已成为客舱减重的关键设备。一直以来，铝制航空餐车占据绝对的市场，但由于金属密度大、整车重，所以耗能较高，不利于客机的低碳排放。夹心结构复合材料具有轻质、抗弯刚度大、高比强度、高比模量、抗疲劳性好及灵活的设计自由度，且可有效吸收冲击能量，能有效减轻航空餐车重量，在欧美国家的民航客机中已经获得了一定的应用。

复合材料航空餐车主体框架材料由上、下高强度的蒙皮层和硬质泡沫夹心层所组成。目前，国外复合材料航空餐车主体框架材料主要采用手糊与真空导入相结合的成型工艺，其先将树脂和两层纤维交替铺在模具上，再在第二层纤维上手工涂刷树脂，铺设硬质泡沫；然后在硬质泡沫另一面铺设纤维、脱模布、导流网、真空袋等，并将体系抽真空，在模腔中形成负压，通过预设管路将树脂导入纤维层，使树脂浸润增强材料直至充满整个模具。该工艺可较好解决树脂对增强材料的浸润和粘接，但仍然存在可挥发有机物(VOC)排放超标、产品质量不稳定、树脂用量多且浪费大、部件厚度不可控等一系列问题。究其原因，在于复合材料的工艺处理不足，不能采用全程自动化处理，需要手工操作，比如采用手糊工艺，否则无法制得令人满意的产品，也是限于工艺处理的缺陷，该工艺方法对树脂体系要求苛刻，所用树脂需同时满足手糊工艺和真空导入工艺，或采用两种树脂，工序复杂，难以满足高性能夹心结构复合材料的设计需求。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷或不足，本发明的目的之一在于提供一种航空餐车用泡沫夹心复合材料的制备方法，该方法对材料要求不苛刻，成型工艺简单，省去手糊步骤，生产效率高且成本低。

本发明的目的之二在于提供一种航空餐车用泡沫夹心复合材料，该复合材料结构尺寸精确、表面平整，树脂含量低，力学性能好，界面粘接佳，环境污染小，与传统铝制餐车相比，重量能减轻约50％。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种航空餐车用泡沫夹心复合材料的制备方法，包括在航空餐车模具1的模腔内依次铺设外纤维织物层2、泡沫芯3、内纤维织物层4和脱模布5，所述脱模布5上设有导流介质6，在所述脱模布外层铺设真空袋7进行密封形成密闭系统，其特征在于，将所述密闭系统抽真空后注入树脂，待完全浸润后，密封、固化、冷却和脱模，即得航空餐车用泡沫夹心复合材料，其中，所述泡沫芯3设有连通的孔15和槽14，所述孔15、槽14和导流介质6促进所述树脂的浸润。

其中，外纤维织物层2、泡沫芯3、内纤维织物层4构成增强材料铺层。

本发明所述的完全浸润是指纤维表面全部被树脂浸润、渗透。根据本发明的一些实施例，注胶时间为30分钟以上，可基本实现完全浸润。

本发明所述泡沫芯3是增强材料铺层成型的主要材料，选用硬质泡沫。在本发明的一些实施例中，所述泡沫芯3为1层，选自聚氯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫和聚醚酰亚胺泡沫中的一种。作为优选，泡沫芯层密度为30-100kg/m³、厚度为6-20mm。

本发明所述的泡沫芯3设有连通的孔15和槽14，有助于将模具与真空袋之间形成的密闭系统抽真空，和后续树脂的注入，促进树脂完全浸润。根据本发明的一些实施例，所述孔15的孔径为2-3mm、孔密度为300-500孔/m²，所述槽14的槽宽为2-3mm、槽深4-5mm、槽密度为60-100根/m²。

作为优选的技术方案，所述外纤维织物层2和内纤维织物层4独立地是1～6层，优选2～4层，选自玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维中的一种或多种的任意组合，所述织物独立的选自经编织物、纬编织物、多轴向织物和二维编织织物中的一种。

在本发明未做特殊说明的情况下，所述多种包括两种和两种以上。

外纤维织物层2和内纤维织物层4的层数、纤维种类和织物方式都是独立的选择，具体而言，外纤维织物层2可以是1～6层，内纤维织物层4也可以是1～6层，每一层纤维织物是玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维中的一种，每一种纤维织物的织物方式是经编织物、纬编织物、多轴向织物和二维编织织物中的一种，所述多轴向织物包括双轴向织物。

作为优选的技术方案，所述树脂是环氧树脂、酚醛树脂和苯并噁嗪树脂中的一种。

作为优选的技术方案，所述树脂无溶剂稀释，初始粘度为200-1000mpa·s，操作时间高于20min。树脂的种类和处理影响可挥发性有机物的释放，本发明的方法制得的产品环保、污染小。

本发明方法中所述的密封只要达到密封效果、使模具与真空袋之间形成密闭系统即可，并不限定密封的方式，在本发明的一些实施例中，所述密封是用胶带粘合真空袋形成密封。

本发明所述固化包括本领域常规采用的加热固化方法，作为优选，所述固化分为两步：先加热至40-75℃预固化1-4h，再加热至80-110℃固化2-6h。

本发明所述导流介质6是促进树脂分流注入到增强材料铺层的辅助装置，可实现分流注入功能即可，并不限定其具体方式。在本发明的一些实施例中，所述导流介质6是铺设有缠绕管的导流网。缠绕管又叫导流管，固定在导流网边缘，能将树脂全面、均匀的分流至导流网上，再由导流网逐渐分流和进一步浸润增强材料。

本发明所述的将所述密闭系统抽真空是指达到相对真空度不小于0.095Mpa，且保压15min后，降低至不大于0.005Mpa。

本发明所述的抽真空和注入树脂包括任何可达到目的的方法和手段，不限定所用设备和管路设置。根据本发明航空餐车用泡沫夹心复合材料的制备方法的一些具体实施例，所述抽真空，由连接真空系统11的抽气管12与设置在真空袋7上的抽气管路13实现，所述注入树脂，由连接树脂桶10的注胶管9和设置在真空袋7上的注胶管路8实现，所述注胶管路8与设置在导流介质6上的注胶口16相连，所述抽气管路13与导流介质6上的抽气口17相连。

开启真空系统，真空袋7与模具1之间的密闭系统被抽真空，再由树脂桶10向所述密闭系统注入树脂，由于泡沫芯3设置有连通的孔15和槽14，树脂可在短时间内迅速浸润完全，在本发明的一些实施例中，所用时间约为30min，弥补了现有技术方法因为浸润不完全不得不采用手工刷涂，并且选择更容易浸润的树脂种类以及增加其他操作步骤的不足。

作为优选，所述的注胶口16的位置处于模具腔体面的中心点，所述抽气口17处于模具腔体顶面两边缘线的中点。

本发明所述的脱模是指在固化、冷却后除去脱模布5、导流介质6、真空袋7及各类管路等辅助材料，即获得航空餐车用泡沫夹心复合材料。

本发明的方法可制备完整的航空餐车主体框架，也可以制备简单的航空餐车用平板状材料，只需选择和设计相应形状的模具，并在对应模具中采用本发明制备方法制备即可。在本发明的一些实施例中，提供的是一种完整的航空餐车主体框架用泡沫夹心复合材料的制备方法，所得产品为长方体结构，缺少前后两个面，参考附图1，只需在前后两个面安装上相应的门板即可使用以及塑料附件、万向轮及喷漆等即可使用，工艺简单、一次成型、节约成本。

本发明还提供了一种航空餐车用泡沫夹心复合材料，该泡沫夹心复合材料包括增强材料铺层，所述增强材料铺层包括外纤维织物层2、泡沫芯3和内纤维织物层4，所述泡沫芯3设有相互连通的孔15和槽14，在增强材料铺层的各层缝隙内、孔15和槽14内均充满浸润其中并固化的树脂。

本发明所述泡沫芯3是增强材料铺层成型的主要材料，材质为泡沫塑料，在本发明的一些实施例中，所述泡沫芯3为1层，选自聚氯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫和聚醚酰亚胺泡沫中的一种。作为优选，泡沫芯层密度为30-100kg/m³、厚度为6-20mm。

作为优选的技术方案，所述孔15的孔径为2-3mm、孔密度为300-500孔/m²，所述槽14的槽宽为2-3mm、槽深4-5mm、槽密度为60-100根/m²。

作为优选的技术方案，所述外纤维织物层2和内纤维织物层4独立地是1～6层选自玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维中的一种或多种的任意组合，优选外纤维织物层2和内纤维织物层4独立地为2～4层。

所述织物选自经编织物、纬编织物、多轴向织物和二维编织织物中的一种。

作为优选的技术方法，所述树脂是环氧树脂、酚醛树脂或苯并噁嗪树脂。

作为优选，所述树脂无溶剂稀释，初始粘度为200-1000mpa·s，操作时间高于20min。

作为优选的技术方法，所述泡沫芯3为1层，选自聚氯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫和聚醚酰亚胺泡沫中的一种。

作为优选，泡沫芯层密度为30-100kg/m³、厚度为6-20mm。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用全真空导入工艺进行树脂灌注，并且在泡沫芯上设置连通的孔和槽，在25℃环境温度下，仅需要30min就可完成充模，不仅可显著提高复合材料餐车的生产效率、降低成本，解决当前手糊、真空导入成型相结合的工艺繁琐、效率低下等问题，而且还能够减少有害气体挥发，降低对操作人员身体的危害。

(2)本发明采用的真空导入工艺可以控制树脂灌注量，且质量分布均匀，有效克服了手糊工艺树脂含量差异大，重量分布不均匀的缺陷，确保了复合材料餐车质量的稳定性。

(3)本发明中对泡沫芯层进行了打孔、开槽设计，在树脂灌注过程中有利于浸润、渗透泡沫芯层，显著增强了界面粘接，有效保障了复合材料餐车的结构强度。

附图说明

图1是本发明实施1和2制备航空餐车主体框架的整体结构示意图；

图2是本发明实施1和2的泡沫芯层打孔开槽的示意图；

图3是本发明实施1和2的注胶、抽气位置示意图；

其中：1-模具；2-外纤维织物层；3-泡沫芯层；4-内纤维织物层；5-脱模布；6-导流介质(导流网和缠绕管)；7-真空袋；8-注胶管路；9-注胶管；10-树脂桶；11-真空系统；12-抽气管；13-抽气管路；14-槽；15-孔；16-注胶口；17-抽气口。

具体实施方式

以下通过具体实施方式，对本发明的上述内容做进一步的详细说明。但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术，均属于本发明的保护范围。

实施例1

参见附图1-3，设计航空餐车主体框架用泡沫夹心复合材料的外纤维织物层2为3层双轴向玻璃纤维平纹织物，内纤维织物层4为2层双轴向碳纤维平纹织物，夹心层泡沫芯3为硬质聚氨酯泡沫，所述泡沫设置连通的孔15和槽14，其中：泡沫芯密度49kg/m³，厚度为12mm，孔径2.5mm、孔密度330个/m²，槽宽2.5mm、槽深4mm、槽密度64根/m²，真空导入成型工艺选用环氧树脂(初始粘度400mpa·s，操作时间45min)。其制备方法如下：

(1)铺层前准备

在金属模具1工作面上进行打磨、清理，涂覆脱模剂，组装模具1并采用胶条将接合缝密封，备用。根据产品尺寸要求，分别准备好纤维织物、泡沫芯3、脱模布5、导流介质6、真空袋7、注胶管9、抽气管12、树脂桶10等。

(2)增强材料铺层

在模腔表面铺设三层双轴向玻璃纤维平纹织物2，然后在玻璃纤维织物上铺设聚氨酯硬质泡沫芯3，最后在泡沫芯表面铺设两层双轴向碳纤维平纹织物4。

(3)设置注胶系统

在步骤(2)中的碳纤维织物4上铺设脱模布5，脱模布5上铺设导流网，导流网上铺设缠绕管，(导流管和缠绕管构成导流介质6)，并在脱模布上设置注胶口16。注胶口16位置处于腔体四面的中心点，抽气口17则处于腔体顶面两边缘线的中点。

(4)设置真空系统

在步骤(3)的导流介质6上铺设真空袋7，将纤维织物、脱模布5、导流网及缠绕管包住，并用胶带密封。真空袋7上设置注胶管路8和抽气管路13，其中注胶管路8连接注胶管9，注胶管9连接树脂桶10，抽气管路13连接抽气管12，抽气管12连接真空系统11。

(5)气密性检查

堵塞注胶管后，启动真空泵，检查整个模腔的密封性，检查漏气点并封堵。确保系统相对真空度不小于0.095Mpa，且保压15min后，降低值不大于0.005Mpa时即可进入下一个步骤。

(6)灌注树脂

按比例配置环氧树脂和固化剂，倒入桶内，充分搅拌2-4min，启动真空泵灌注树脂，待完全浸润纤维织物后，取出注胶管9并进行密封。

(7)固化脱模

将整个模具1送入烘箱，加热至50℃预固化4h，然后升温至85℃固化6h，自然冷却至室温后，除去脱模布5、导流网、真空袋7及管路等辅助材料，即获得泡沫夹心复合材料的航空餐车主体框架，该泡沫夹心复合材料结构包括增强材料铺层，所述增强材料铺层包括外纤维织物层2、泡沫芯3和内纤维织物层4，所述泡沫芯3设有相互连通的孔15和槽14，在增强材料铺层的各层缝隙内、孔15和槽14内均充满浸润其中并固化的树脂。

实施例2

设计航空餐车主体框架用泡沫夹心复合材料的外纤维层为1层双轴向玻璃纤维平纹织物、2层经编芳纶纤维平纹织物，内纤维层为3层双轴向玻璃纤维平纹织物，夹心层为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，所述泡沫设置连通的孔和槽，其中：泡沫密度54kg/m³，厚度10mm，孔径2.8mm、孔密度360个/m²,槽宽2.2mm、槽深4.2mm、槽密度72根/m²，真空导入成型工艺选用酚醛树脂(初始粘度360mpa·s，操作时间52min)。其制备方法如下：

本实施例所述各结构可参见附图1-3。

(1)铺层前准备

在金属模具1工作面上进行打磨、清理，涂覆脱模剂，组装模具1并采用胶条将接合缝密封，备用。根据产品尺寸要求，分别准备好纤维织物、泡沫芯3、脱模布5、导流介质6、真空袋7、注胶管9、抽气管12、树脂桶10等。

(2)增强材料铺层

在模腔表面先铺设一层双轴向玻璃纤维平纹织物2，后铺设两层经编芳纶纤维平纹织物2，再在芳纶纤维织物上铺设聚甲基丙烯酰亚胺泡沫芯3，最后在泡沫芯表面铺设三层双轴向玻璃纤维平纹织物4。

(3)设置注胶系统

在步骤(2)中的玻璃纤维织物上铺设脱模布5，脱模布上铺设导流网，导流网上铺设缠绕管，并设置注胶口16。注胶口16位置处于腔体四面的中心点，抽气口则处于腔体顶面两边缘线的中点。

(4)设置真空系统

在步骤(3)的导流介质上铺设真空袋7，将纤维织物、脱模布5、导流网及缠绕管包住，并用胶带密封。真空袋7上设置注胶管路8和抽气管路13，其中注胶管路8连接注胶管9，注胶管9连接树脂桶10，抽气管路13连接抽气管12，抽气管12连接真空系统11。

(5)气密性检查

堵塞注胶管后，启动真空泵，检查整个模腔的密封性，检查漏气点并封堵。确保系统相对真空度不小于0.095Mpa，且保压15min后，降低值不大于0.005Mpa时即可进入下一个步骤。

(6)灌注树脂

按比例配置酚醛树脂和固化剂，倒入桶内，充分搅拌2-4min，启动真空泵灌注树脂，待完全浸润纤维织物后，取出注胶管并进行密封。

(7)固化脱模

将整个模具1送入烘箱，加热至60℃预固化1h，然后升温至95℃固化2h，自然冷却至室温后，除去脱模布5、导流网、真空袋7及管路等辅助材料，即获得泡沫夹心复合材料的航空餐车主体框架，该泡沫夹心复合材料结构包括增强材料铺层，所述增强材料铺层包括外纤维织物层2、泡沫芯3和内纤维织物层4，所述泡沫芯3设有相互连通的孔15和槽14，在增强材料铺层的各层缝隙内、孔15和槽14内均充满浸润其中并固化的树脂。