一种增强型复合材料泡沫夹芯筒及其制备方法与流程

本发明属于纤维增强树脂基复合材料技术领域，涉及一种纤维增强树脂基复合材料夹芯结构中以泡沫为夹芯层的筒/柱状结构件，尤其是一种增强型复合材料泡沫夹芯筒及其制备方法。

背景技术：

工程领域内应急支撑构件一般采用金属材料制作，其自重大、人工搬运与作业不方便。纤维增强树脂基复合材料具有质量轻、强度大、耐腐蚀等特征，由其作为蒙皮，然后在两蒙皮中间用密度低、厚度大的芯层隔开所构成的复合材料夹芯结构具有抗弯刚度大的独特优势，且兼有吸能、隔热等功能性特点，使其在诸多领域得到了广泛的应用。

与诸多复合材料夹芯结构相比，泡沫夹芯结构具有制备工艺简单、成本低廉等优势，适合在土木工程领域内推广使用。复合材料泡沫夹芯筒可以制备支撑柱而在土木工程应急救援领域使用。在轴向荷载作用下，由于泡沫材料的刚度较低，对复合材料蒙皮的支撑能力较弱，复合材料蒙皮容易发生局部屈曲，而且泡沫夹芯结构的面芯结合强度一般较弱，容易出现面芯脱粘。这两种缺陷导致复合材料泡沫夹芯筒承载效率较低，无法满足大承载要求。且目前复合材料泡沫夹芯筒的制备工艺以手糊工艺为主，只能制作小尺寸构件，且性能不稳定，操作复杂。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种增强型复合材料泡沫夹芯筒及其制备方法，本发明克服了复合材料泡沫夹芯筒面芯脱粘与面板局部屈曲的问题，提供一种在不显著提升结构自重的前提下，大幅度提升复合材料夹芯筒的承载效率的增强型复合材料泡沫夹芯筒，同时提供一种操作简单、成本低廉、性能稳定的增强型复合材料泡沫夹芯筒的制备方法。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种增强型复合材料泡沫夹芯筒，包括复合材料外蒙皮、复合材料内蒙皮，以及设置在两者之间的圆筒形芯层，芯层的内、外两侧表面上均匀分布有若干凹槽，且凹槽中安装有复合材料筋条，凹槽与复合材料筋条沿芯层的轴向方向设置。

本发明进一步限定的技术方案是：

前述芯层为泡沫材料制成，且芯层由至少三块泡沫圆弧片环向拼接而成。

前述复合材料外蒙皮和复合材料内蒙皮均由纤维增强树脂基复合材料构成，纤维增强树脂基复合材料包括第一增强材料和树脂。第一增强材料包括玻璃纤维双轴布、玻璃纤维多轴布、碳纤维双轴布、碳纤维多轴布、玄武岩纤维布和芳纶纤维布中的一种或多种。

前述复合材料筋条为单向纤维增强树脂基复合材料构成，单向纤维增强树脂基复合材料包括第二增强材料和树脂。第二增强材料包括单向玻璃纤维布、玻璃纤维丝、单向碳纤维布、碳纤维丝、单向玄武岩纤维布、玄武岩纤维丝、单向芳纶纤维布和芳纶纤维丝中的一种或多种。

前述树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂和聚氨酯树脂中的一种或多种。

前述泡沫圆弧片为PVC泡沫、PMI泡沫、PU泡沫或PEI泡沫。

前述复合材料外蒙皮和合材料内蒙皮的厚度相同，复合材料筋条的圆周宽度略小于凹槽的宽度、其径向宽度与凹槽的深度相同。

增强型复合材料泡沫夹芯筒的内半径为100-500mm；增强型复合材料泡沫夹芯筒的高度为1000-4000mm；复合材料内蒙皮与复合材料外蒙皮的厚度相同，厚度为10-20mm；泡沫圆弧片的厚度为10-60mm；凹槽的宽度为4-20mm，深度为2-10mm；复合材料筋条的圆周宽度比凹槽小1mm，径向宽度与凹槽深度相同。

本申请中复合材料内蒙皮、复合材料外蒙皮、泡沫圆弧片、筋条的尺寸和材料均可按照实际要求进行选定与设计。

进一步的，

本发明还提供了一种增强型复合材料泡沫夹芯筒的制备方法，包括如下具体步骤：

㈠准备泡沫圆弧片：预先在泡沫圆弧片内、外侧表面上进行刻槽处理，用于放置复合材料筋条；

㈡加筋：直接在泡沫圆弧片内、外侧表面的凹槽内布置单向纤维布，或者在泡沫圆弧片内、外侧表面的凹槽内布置已固化的纤维增强树脂基复合材料筋条；

㈢准备预成型体：首先在增强型复合材料泡沫夹芯筒模具上涂抹脱模剂，然后在模具上依次包裹内蒙皮的增强材料、加筋后的圆筒形芯层、外蒙皮的增强材料，得到预成型体；

㈣组装VARI成型系统：在步骤㈢得到的预成型体上，依次缠绕脱模布、导流网，并布置树脂导流管、抽气管，然后将上述预成型体、脱模布及导流网用真空袋封装，并布置树脂导流管、抽气管包裹覆盖，形成密封环境；

㈤注胶与共固化：抽真空，检查气密性完好后灌注调配好的树脂，固化成型。

㈥后处理：采用顶推法将模具从固化后的成型体中取出来，脱除成型体上的真空袋、导流管、导流网、及脱模布，即可得到增强型复合材料泡沫夹芯筒。

本发明的有益效果是：

本发明在复合材料内、外蒙皮与泡沫圆弧片表面之间引入了复合材料筋条，该复合材料筋条与复合材料内、外蒙皮、PVC泡沫经树脂粘结固化，形成有机整体，该复合材料筋条可作为复合材料内、外蒙皮的加强筋，能够有效的防止复合材料内、外蒙皮发生局部屈曲，更有效的将复合材料蒙皮的强度发挥出来。

并且，在泡沫圆弧片表面刻制了凹槽，且凹槽的圆周宽度比复合材料筋条的宽度大1mm，凹槽内空余的缝隙可作为VARTM成型中树脂流动的通道，使树脂更加均匀的浸润增强材料，保证面、芯之间结合完好，进而提高了面、芯结合的强度；同时，凹槽内的复合材料筋条嵌入泡沫圆弧片内，与其形成机械咬合作用，使蒙皮与泡沫圆弧片连接更加紧密；因此引入复合材料筋条后，可赋予增强型复合材料泡沫夹芯筒很高的面、芯结合强度。此外，复合材料筋条其自身具备高强度比、高刚度比的特点，布置方向与受力方向一致，因此复合材料筋条自身能够有效的分担外荷载，起到提升增强型泡沫夹芯筒的整体承载能力效果。

本发明提供的制备方法中采用真空辅助树脂灌注技术使复合材料蒙皮与复合材料筋条浸润树脂均匀，同时成型件的固化压力均匀，保证了各组分紧密贴合，因此制成的增强型复合材料泡沫夹芯筒的面、芯结合效果好，无明显缺陷，且该制备方法成本低廉、操作简便。

本发明设计的增强型复合材料泡沫夹芯筒在复合材料蒙皮与芯层之间引入了复合材料筋条，能够有效的克服复合材料面板局部屈曲与面芯脱粘的问题，能够更好的发挥出复合材料高强度的优势，达到提升承载效率的效果，从而满足大承载的要求，扩大了其使用范围。同时本发明中的制备方法操作简便、成本低廉，制备的成品性能稳定。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中，1-复合材料外蒙皮，2-复合材料内蒙皮，3-复合材料筋条，4-芯层，5-凹槽。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种增强型复合材料泡沫夹芯筒，结构如图1所示，包括复合材料外蒙皮1、复合材料内蒙皮2，以及设置在两者之间的圆筒形芯层4，芯层4的内、外两侧表面上均匀分布有若干凹槽5，且凹槽5中安装有复合材料筋条3，凹槽5与复合材料筋条3沿芯层4的轴向方向设置。

前述芯层4为泡沫材料制成，且芯层4由四个圆心角为90°的泡沫圆弧片环向拼接而成。前述复合材料外蒙皮1和复合材料内蒙皮2均由纤维增强树脂基复合材料构成，纤维增强树脂基复合材料包括第一增强材料和树脂。第一增强材料包括玻璃纤维双轴布、玻璃纤维多轴布、碳纤维双轴布、碳纤维多轴布、玄武岩纤维布和芳纶纤维布中的一种或多种。

前述复合材料筋条3为单向纤维增强树脂基复合材料构成，单向纤维增强树脂基复合材料包括第二增强材料和树脂。第二增强材料包括单向玻璃纤维布、玻璃纤维丝、单向碳纤维布、碳纤维丝、单向玄武岩纤维布、玄武岩纤维丝、单向芳纶纤维布和芳纶纤维丝中的一种或多种。

前述树脂包括环氧树脂、酚醛树脂和聚氨酯树脂中的一种或多种。前述泡沫材料包括PVC泡沫、PMI泡沫、PU泡沫或PEI泡沫。前述复合材料外蒙皮1和复合材料内蒙皮2的厚度相同，复合材料筋条3的圆周宽度略小于凹槽5的宽度、其径向宽度与凹槽5的深度相同。增强型复合材料泡沫夹芯筒的内半径为100-500mm；增强型复合材料泡沫夹芯筒的高度为1000-4000mm；复合材料内蒙皮与复合材料外蒙皮的厚度相同，厚度为1-5mm；泡沫圆弧片的厚度为10-60mm；凹槽的宽度为4-20mm，深度为2-10mm；复合材料筋条的圆周宽度比凹槽小1mm，径向宽度与凹槽深度相同。

本实施例在复合材料内、外蒙皮与泡沫圆弧片表面之间引入了复合材料筋条，该复合材料筋条与复合材料内、外蒙皮、PVC泡沫经树脂粘结固化，形成有机整体，该复合材料筋条可作为复合材料内、外蒙皮的加强筋，能够有效的防止复合材料内、外蒙皮发生局部屈曲，更有效的将复合材料蒙皮的强度发挥出来。

并且，在泡沫圆弧片表面刻制了凹槽，且凹槽的圆周宽度比复合材料筋条的宽度大1mm，凹槽内空余的缝隙可作为VARI成型中树脂流动的通道，使树脂更加均匀的浸润增强材料，保证面、芯之间结合完好，进而提高了面、芯结合的强度；同时，凹槽内的复合材料筋条嵌入泡沫圆弧片内，与其形成机械咬合作用，使蒙皮与泡沫圆弧片连接更加紧密；因此引入复合材料筋条后，可赋予增强型复合材料泡沫夹芯筒很高的面、芯结合强度。此外，复合材料筋条其自身具备高强度比、高刚度比的特点，布置方向与受力方向一致，因此复合材料筋条自身能够有效的分担外荷载，起到提升增强型泡沫夹芯筒的整体承载能力效果。

实施例2

本实施例提供了一种增强型复合材料泡沫夹芯筒的制备方法，由复合材料内蒙皮、复合材料外蒙皮、夹在两块蒙皮之间的泡沫芯层、芯层与两蒙皮之间的复合材料筋条所组成；增强型复合材料泡沫夹芯筒的高度为1000mm，内径为200mm；复合材料内蒙皮、复合材料外蒙皮都是由玻璃纤维双轴布增强树脂基复合材料构成，厚度都为3mm；芯层由四块圆心角为90°的泡沫圆弧片环向拼接而成，泡沫圆弧片片材料是密度为100kg/m³的PVC泡沫，厚度为40mm；凹槽的宽度为7mm，深度为4mm，两凹槽间隔12°；复合材料筋条由玻璃纤维单向布增强树脂基复合材料构成，宽度为6mm，厚度为4mm。

包括如下具体步骤：

㈠准备PVC泡沫圆弧片:刻有凹槽的PVC泡沫圆弧片由北京科拉斯有限公司提供，密度为100kg/m³，厚度为40mm；凹槽的宽度为7mm，深度为5mm，两凹槽间隔12°，将泡沫圆弧片在烘箱内50℃通风环境下干燥4小时，备用。

㈡加筋：使用切布机将玻璃纤维单向布切割成多条长1000mm，宽6mm的窄布条，玻璃纤维单向布单层厚度为0.4mm，将切割好的窄布条一层一层铺设在凹槽内，每个凹槽铺设10层；或者：由单向玻璃纤维布与树脂通过模压工艺制成长为1000mm，宽为1000mm，厚度为4mm的平板，将所示平板切割成长1000mm，宽为6mm，厚度为4mm的筋条，然后将所述筋条放置在凹槽内。

㈢准备预成型体：在外径为200mm的金属空心模具筒上涂抹脱模剂，在模具上缠绕5层宽度为1000mm，厚度为0.6mm的玻璃纤维双向布，并用纤维丝绑扎好，然后扣上加筋后的4块PVC泡沫圆弧片并用纤维丝捆绑固定，最后再缠绕5层宽度为1000mm，厚度为0.6mm的玻璃纤维双向布，并也用纤维丝绑扎好，得到预成型体；

㈣组装VARI成型系统：在预成型体上，依次缠绕一层脱模布、导流网，并布置树脂导流管、注胶嘴、抽气管，然后用真空袋包裹覆盖，形成一个密封环境；

㈤ 注胶与共固化：检查VARI成型系统的气密性，并及时调整；树脂选用770V型乙烯基树脂常温树脂，与固化剂和促凝剂按照100:1:1的重量比调配好；将抽气管与真空泵相连，注胶嘴与注胶管相连并将注胶管插入树脂体系，开启真空泵，树脂体系在负压作用下通过注胶管、导流管、导流布均匀的分布在预成型体的各个角落，45分钟左右后关闭真空泵，常温下固化7小时。

㈥后处理：使用顶推法将模具从固化后的成型体中取出来，脱除成型体上的真空袋、导流管、导流网、脱模布，便可得到增强型复合材料泡沫夹芯筒。

本实施例提供的制备方法中采用真空辅助树脂灌注技术使复合材料蒙皮与复合材料筋条浸润树脂均匀，同时成型件的固化压力均匀，保证了各组分紧密贴合，因此制成的增强型复合材料泡沫夹芯筒的面、芯结合效果好，无明显缺陷，且该制备方法成本低廉、操作简便。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。