一种高性能热塑性复合材料点阵夹芯平板及其制备方法与流程

本发明涉及一种高性能热塑性复合材料点阵夹芯平板及其制备方法。

背景技术：

点阵夹芯复合材料是极具潜力的先进轻质多功能结构材料，与传统材料相比，点阵夹芯复合材料具有密度小、比模量高、比强度大等一系列优异性能。连续纤维增强热塑性复合材料最突出优点是具有较高的韧性、优秀的损伤容限性能以及良好的抗冲击性能,有利于克服热固性树脂基复合材料层间韧性不足和冲击分层的缺点，可应用于使用环境较为苛刻、承载能力要求较高、容易受到强烈冲击的场合。随着热塑性复合材料得到更广泛的应用，对热塑性复合材料连接的研究得到了发展。相比于传统的复合材料胶接技术，超声焊接技术是一项非常快速和短周期的连接技术，并且该技术已应用于波音新一代客机机翼前缘筋与蒙皮的连接。

技术实现要素：

本发明提供了一种高性能热塑性复合材料点阵夹芯平板低成本制备方法，解决了目前芯子制备工艺复杂，手工操作过多，制备效率低，性能不可靠等一系列问题。此外，利用热塑性复合材料焊接技术，解决传统复合材料结构连接困难，性能下降等问题。

本发明的一种高性能热塑性复合材料点阵夹芯平板的制备方法，它是按照以下步骤实现的：

步骤一：制备热压模具，在热压之前，先用丙酮对模具进行清洗，然后将脱模剂均匀涂抹在模具表面，将模具放入烘干箱，将温度设为230℃；

步骤二：重复步骤一两次；

步骤三：根据铺层要求裁剪连续纤维增强热塑性复合材料预浸料；

步骤四：热压前再次对热压模具涂抹脱模剂，将裁剪好的预浸料按照设计的铺层要求在热压模具中铺设好，采用热压机进行层合板的压制，热压工艺为先从室温升至380℃，升温时间为1.5～3h，待温度达到380℃后，施加10个大气压的压强，保温保压30min，随后在保压状态下自然冷却至室温，开模，脱模得到连续纤维增强热塑性复合材料层合板；

步骤五：在上述压制成型的复合材料层合板上绘制出多个梯形；

步骤六：采用水切割工艺，按照步骤五中所绘制完毕的多个梯形，对复合材料层板进行逐一切割，使得复合材料层板上加工出多个梯形孔；

步骤七：将步骤六剪裁出梯形孔的芯子层合板放入专用模具中，进行热压成型，即可获得金字塔点阵芯子；

步骤八：使用与步骤四相同的工艺制备点阵夹芯平板的上下面板；

步骤九：利用热塑性复合材料超声焊接技术将金字塔点阵芯子与复合材料上下面板进行连接，形成热塑性复合材料点阵夹芯平板。

本发明的一种高性能热塑性复合材料点阵夹芯平板，其特征在于它包括热塑性复合材料金字塔型点阵芯子、热塑性复合材料上面板和热塑性复合材料下面板；

所述热塑性复合材料金字塔型点阵芯子包括多个金字塔点阵结构单胞，每个金字塔点阵结构单胞是由五根杆件组成具有梯型的一体件，所述的五根杆件包括上端杆、两个下端杆和两个连接杆；

所述两个下端杆和上端杆相互平行，所述上端杆和两个下端杆之间通过两个连接杆连接形成梯型的一体件，其中，每个下端杆的一端分别与两个连接杆一端连接，两个连接杆的另一端分别与上端杆的两端连接；

每个金字塔点阵结构单胞中的上端杆表面与热塑性复合材料上面板连接，两个下端杆表面与热塑性复合材料下面板连接。

本发明包含以下有益效果：

本发明在材料的选用上，使用的是连续纤维增强热塑性复合材料，相比于传统的热固性复合材料，热塑性复合材料具有更好的抗冲击性能，且成型工艺简单，多次加工以及回收利用；在复合材料芯子的制备上，本发明采用先将预浸料压制成层合板，再进行梯形孔的加工，进而利用模具加工成型，制备过程简单，操作方便，工作效率高；并且，相比于先在预浸料加工梯形孔再进行压制的方法，本发明具有更好的结构尺寸稳定性，不存在预浸料间梯形孔错位的问题，因此力学性能也更加优异；本发明在上下面板与芯子的连接上采用超声焊接技术，不同于热固性复合材料的胶接技术，热塑性复合材料焊接技术可以获得更加良好的界面，减少界面缺陷，增加结构整体力学性能及性能稳定性，并且超声焊接技术操作方便，加工效率高，此外，热塑性复合材料点阵可以后期拼接焊接，适合制备大型构件；本发明能够实现纯机械化生产，适用范围广泛，制备周期短，成本低廉，适用于实验室研究及工厂批量生产。

附图说明

图1是本发明中复合材料层板上加工出的若干个梯形孔的俯视结构示意图；

图2是专用模具的主视结构示意图；

图3是金字塔点阵芯子的立体结构示意图；

图4是点阵芯子的立体结构示意图；

图5是金字塔点阵结构单胞的主视结构示意图；

图6是热塑性复合材料点阵夹芯平板的立体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式的一种高性能热塑性复合材料点阵夹芯平板的制备方法，它是按照以下步骤实现的：

步骤一：制备热压模具，在热压之前，先用丙酮对模具进行清洗，然后将脱模剂均匀涂抹在模具表面，将模具放入烘干箱，将温度设为230℃；

步骤二：重复步骤一两次；

步骤三：根据铺层要求裁剪连续纤维增强热塑性复合材料预浸料；

步骤四：热压前再次对热压模具涂抹脱模剂，将裁剪好的预浸料按照设计的铺层要求在热压模具中铺设好，采用热压机进行层合板的压制，热压工艺为先从室温升至380℃，升温时间为1.5～3h，待温度达到380℃后，施加10个大气压的压强，保温保压30min，随后在保压状态下自然冷却至室温，开模，脱模得到连续纤维增强热塑性复合材料层合板；

步骤五：在上述压制成型的复合材料层合板上绘制出多个梯形；

步骤六：采用水切割工艺，按照步骤五中所绘制完毕的多个梯形，对复合材料层板进行逐一切割，使得复合材料层板上加工出多个梯形孔；

步骤七：将步骤六剪裁出梯形孔的芯子层合板放入专用模具中，进行热压成型，即可获得金字塔点阵芯子；

步骤八：使用与步骤四相同的工艺制备点阵夹芯平板的上下面板；

步骤九：利用热塑性复合材料超声焊接技术将金字塔点阵芯子与复合材料上下面板进行连接，形成热塑性复合材料点阵夹芯平板。

具体实施方式二：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：步骤四中热压机内部成形温度为380℃，成型压力为1mpa，保温保压时间为30min。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：所述的热压模具包括上模具和下模具，其中上模具的形状为转角135°的梯形，下模具同样为转角135°的梯形模具。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式的一种高性能热塑性复合材料点阵夹芯平板，它包括热塑性复合材料金字塔型点阵芯子1、热塑性复合材料上面板2和热塑性复合材料下面板3；

所述热塑性复合材料金字塔型点阵芯子1包括多个金字塔点阵结构单胞4，每个金字塔点阵结构单胞4是由五根杆件组成具有梯型的一体件，所述的五根杆件包括上端杆4-1、两个下端杆4-2和两个连接杆4-3；

所述两个下端杆4-2和上端杆4-1相互平行，所述上端杆4-1和两个下端杆4-2之间通过两个连接杆4-3连接形成梯型的一体件，其中，每个下端杆4-2的一端分别与两个连接杆4-3一端连接，两个连接杆4-3的另一端分别与上端杆4-1的两端连接；

每个金字塔点阵结构单胞4中的上端杆4-1表面与热塑性复合材料上面板2连接，两个下端杆4-2表面与热塑性复合材料下面板3连接。

具体实施方式五：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：所述的热塑性复合材料上面板2与多个金字塔点阵结构单胞4中的上端杆4-1连接。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：所述的热塑性复合材料下面板3与多个金字塔点阵结构单胞4中的下端杆4-2连接，且相邻的两个金字塔点阵结构单胞4中的下端杆4-2连接在同一热塑性复合材料下面板3上。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：所述的上端杆4-1表面与热塑性复合材料上面板2的连接以及两个下端杆4-2表面与热塑性复合材料下面板3连接，均是通过热塑性复合材料焊接技术连接。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：热塑性复合材料上面板2以及热塑性复合材料下面板3均是由碳纤维增强热塑性树脂基复合材料制成。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1

本实施例的一种高性能热塑性复合材料点阵夹芯平板，它包括热塑性复合材料金字塔型点阵芯子1、热塑性复合材料上面板2和热塑性复合材料下面板3；

所述热塑性复合材料金字塔型点阵芯子1包括多个金字塔点阵结构单胞4，每个金字塔点阵结构单胞4是由五根杆件组成具有梯型的一体件，所述的五根杆件包括上端杆4-1、两个下端杆4-2和两个连接杆4-3；

所述两个下端杆4-2和上端杆4-1相互平行，所述上端杆4-1和两个下端杆4-2之间通过两个连接杆4-3连接形成梯型的一体件，其中，每个下端杆4-2的一端分别与两个连接杆4-3一端连接，两个连接杆4-3的另一端分别与上端杆4-1的两端连接；

每个金字塔点阵结构单胞4中的上端杆4-1表面与热塑性复合材料上面板2连接，两个下端杆4-2表面与热塑性复合材料下面板3连接。

它是按照以下步骤进行制备的：

步骤一：制备热压模具，在热压之前，先用丙酮对模具进行清洗，然后将脱模剂均匀涂抹在模具表面，将模具放入烘干箱，将温度设为230℃；

步骤二：重复步骤一两次；

步骤三：根据铺层要求裁剪连续纤维增强热塑性复合材料预浸料；

步骤四：热压前再次对热压模具涂抹脱模剂，将裁剪好的预浸料按照设计的铺层要求在热压模具中铺设好，采用热压机进行层合板的压制，热压工艺为先从室温升至380℃，升温时间为1.5～3h，待温度达到380℃后，施加10个大气压的压强，保温保压30min，随后在保压状态下自然冷却至室温，开模，脱模得到连续纤维增强热塑性复合材料层合板；

步骤五：在上述压制成型的复合材料层合板上绘制出多个梯形；

步骤六：采用水切割工艺，按照步骤五中所绘制完毕的多个梯形，对复合材料层板进行逐一切割，使得复合材料层板上加工出多个梯形孔；

步骤七：将步骤六剪裁出梯形孔的芯子层合板放入专用模具中，进行热压成型，即可获得金字塔点阵芯子；

步骤八：使用与步骤四相同的工艺制备点阵夹芯平板的上下面板；

步骤九：利用热塑性复合材料超声焊接技术将金字塔点阵芯子与复合材料上下面板进行连接，形成热塑性复合材料点阵夹芯平板。

本实施例制备的热塑性复合材料点阵夹芯平板的相关性能数据如表1所示。

表1热塑性复合材料点阵夹芯平板性能

本发明是以as4/peek为原材料。由表中数据我们可以看出，较传统的碳纤维增强环氧树脂基复合材料，碳纤维增强聚醚醚酮复合材料具有优异的拉伸强度和拉伸模量。以0°层合板为例，as4/peek的拉伸强度为2280mpa，超过mt300/603的1840mpa达20％以上。此外，as4/peek的弯曲强度较mt300/603也有明显提升。

在复合材料层合板的应用过程中，最主要的失效形式之一就是层间开裂，这与材料的层间剪切强度有着密不可分的联系。而as4/peek的层间剪切强度达到了152mpa，较环氧基体中层间剪切强度较高的t700s/603的93mpa，高出60％以上。as4/peek的应用将会对复合材料层合板的应用发展产生巨大影响。

热塑性复合材料的连接上也不同于热固性复合材料的胶接。超声焊接技术首先将被连接部位在压力的用下固定，然后施加高频率的震动，在热塑性材料表面和分子链间的摩擦作用下产生热量。当温度达到能量导向薄膜的熔融温度，它将在压力的作用下流动，浸润被连接部件的表面，同时界面中的高分子链发生扩散和缠绕，从而形成连接。较之热固性复合材料的胶接技术，此技术可以获得更加良好的界面，减少界面缺陷，增加结构整体力学性能及性能稳定性，获得更高的层间剪切强度。