本发明属于超轻多孔金属材料技术领域，具体涉及一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构及其制备方法。
背景技术：
超轻多孔金属材料是近些年来随着材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新型多功能材料，具有结构功能一体化的特征。其芯体具有高的孔隙率，其微结构按规则程度可分为无序和有序两大类，前者包括闭孔泡沫铝材料，而后者包括二维点阵材料(如蜂窝、波纹结构)与三维桁架结构(如金字塔、四面体结构)。
PMI泡沫材料是目前强度和刚度最高的耐热泡沫塑料，结构为100％闭孔，具有优异的抗蠕变性能和防火性能，无毒，低烟。值得注意的是，随着泡沫密度的减小，PMI泡沫的强度和刚度会明显下滑。为此，将碳纤维或再生碳纤维加入PMI泡沫，不仅提高了泡沫自身的力学性能，如压缩强度、剪切强度和孔壁韧性等，而且增加了电磁屏蔽性能、抗静电性能。
金字塔点阵夹层板具有高的比强度和比刚度，作为结构材料优势明显，但其芯体或者节点往往容易在较低的应变时就达到应力峰值，继而软化失效。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构及其制备方法，将碳纤维增强PMI泡沫在金字塔点阵夹层板中原位发泡形成，从而改善整体力学性能，获得多功能的碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板。
本发明采用以下技术方案：
一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构，包括面板和金字塔点阵芯体，金字塔点阵芯体设置在两个面板之间构成金字塔点阵夹层板，在金字塔点阵芯体的孔隙中间隔性填充有碳纤维增强PMI泡沫，碳纤维增强PMI泡沫内添加有增强相碳纤维。
具体的，金字塔点阵芯体的相对密度为0.01～0.15，碳纤维增强PMI泡沫的密度为30～100kg/m3。
一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构的制备方法，首先制备金字塔点阵芯体；然后将金字塔点阵芯体与面板焊接制成金字塔点阵夹层板；然后以碳纤维或再生碳纤维作为增强材料，以甲基丙烯腈与甲基丙烯酸作为共聚单体，加入引发剂、交联剂、发泡剂、成核剂等制备出可发泡聚合体；然后将可发泡聚合体填充入金字塔点阵夹层板的孔隙，在烘箱中自由发泡、热处理，制备得到完全充满于金字塔点阵夹层板孔隙的碳纤维增强PMI泡沫后，自然冷却至室温，得到碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构。
具体的，将冲孔菱形网或平整过的拉伸网采用模压或折叠技术形成金字塔点阵芯体，然后将面板和金字塔点阵芯体采用金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，采用钎焊或激光焊将面板与金字塔点阵芯体连接制成金字塔点阵夹层板，冲孔菱形网或平整过的拉伸网以及面板的材质为不锈钢、钛合金或铝合金。
具体的，增强材料的制备具体如下：将碳纤维原丝在350～450℃下的空气气氛中加热20～40min，然后浸入质量浓度20～40％的硝酸中煮沸10～30min，再用离去子水冲洗至中性；再将碳纤维或再生碳纤维长丝剪成2～4mm的短切碳纤维。
具体的，按照重量份数比将40～60甲基丙烯腈、40～60甲基丙烯酸、0.1～0.3引发剂、0.5～0.8交联剂、2.0～3.0发泡剂、0.5～2.0成核剂进行混合，在15～25℃的水浴温度下，通过1000～3000r/min搅拌机转速混合1～3h将反应液搅拌均匀。
进一步的，将重量份数比为2～20的短切碳纤维加入反应液中，将反应液放置于超声分散仪中在5～50kHz频率下，超声分散20～50min，将碳纤维均匀分散在反应液中。
进一步的，将反应液灌注入内径8～15mm的线状结构玻璃模具内，随后放入水浴锅中，采用35～65℃水浴温度，聚合时间48～72h，可获得可发泡聚合体。
具体的，可发泡聚合体在被填入金字塔点阵夹层板之前，先将金字塔点阵夹层板进行酸碱洗以去除其表面氧化膜并干燥，然后将可发泡聚合体填入金字塔点阵夹层板中后放入烘箱中自由发泡，发泡温度为200～220℃，发泡时间为1～3h。
进一步的，待可发泡聚合体膨胀形成完全充满于金字塔点阵夹层板孔隙的碳纤维增强PMI泡沫后，将金字塔点阵夹层板放入烘箱中进行热处理，热处理温度为150～200℃，热处理时间10～20h，随后自然冷却至室温，得到碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构，复合结构由金字塔点阵芯体与面板制成的金字塔点阵夹层板以及间隔性填充在金字塔点阵芯体的孔隙中的碳纤维增强PMI泡沫组成，碳纤维增强PMI泡沫内添加有增强相碳纤维，将金字塔点阵夹层板和碳纤维增强PMI泡沫材料复合，制备出碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构，可以实现两种材料优势性能的整合，弥补各自力学性能的不足，从而获得力学性能大幅提升的新型复合结构，拓宽了碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构在航天、航空、舰船和高速列车等领域的应用。
进一步的，本发明制备得到的复合结构中，金字塔点阵相对密度为0.01～0.15，碳纤维增强PMI泡沫密度为30～100kg/m3，可以根据具体使用工况进行复合结构的组分设计，极大拓宽了应用背景。
本发明还公开了一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构的制备方法，首先采用模压或折叠技术制成金字塔点阵芯体，并通过钎焊或激光焊等方法与面板连接，制备成金字塔点阵夹层板；利用碳纤维或再生碳纤维作为增强材料，以甲基丙烯腈与甲基丙烯酸作为共聚单体，加入引发剂、交联剂、发泡剂、成核剂等制备出可发泡聚合体；将可发泡聚合体填充入金字塔点阵夹层板的孔隙，在烘箱中自由发泡、热处理，制备得到完全充满于金字塔点阵夹层板孔隙的碳纤维增强PMI泡沫后，自然冷却至室温，即可获得碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构。本发明实现了金字塔点阵夹层板、PMI泡沫和碳纤维的复合，获得力学性能优异的碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构，制备的碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层压缩峰值强度较PMI泡沫-金字塔夹层板压缩峰值强度提高20％以上，例如，金字塔点阵夹层板(压缩峰值强度12.6MPa)和碳纤维增强PMI泡沫(1.2MPa)复合后压缩峰值强度大幅度提升到16.5MPa。复合结构实现了金字塔点阵、PMI泡沫和碳纤维或再生碳纤维等优势性能的有机融合，能在保证承载优势的基础上实现轻量化设计的要求，并具备隔热、防火、隔声、减振等多功能特性。
进一步的，本发明采用自由基预聚体法，在点阵金属内部原位发泡形成结合紧密的碳纤维增强PMI泡沫，利用点阵金属优异的力学性能以及PMI泡沫的强度、刚度、防火、耐热、抗蠕变等优势，实现多功能耦合，获得综合性能更加优异的结构功能一体化材料，碳纤维不仅可以提升PMI泡沫的力学性能，包括：拉伸强度、弯曲强度、压缩强度、剪切强度(添加重量份数比5～15，强度提升130～260％)，而且增加了PMI泡沫的电磁屏蔽性能和抗静电性能。
进一步的，原位发泡可以让PMI泡沫均匀填充入金字塔点阵夹层板，减少了界面结合处的孔隙，有效提高了界面结合强度，使得复合结构的性能得到进一步提升。
进一步的，选用的玻璃模具为线状，内径8～15mm，便于将可发泡聚合体均匀填充入金字塔点阵间隙。
综上所述，本发明制造工艺成本较低，易于规模化生产，在安全防护、交通运输、机械制造、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明填充前碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板的结构示意图；
图2为本发明填充后碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板的结构示意图。
其中：1.面板；2.金字塔点阵芯体；3.碳纤维增强PMI泡沫；4.增强相碳纤维。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图2，本发明提供了一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构，该复合结构包括面板1和金字塔点阵芯体2，金字塔点阵芯体2设置在两个面板1之间构成金字塔点阵夹层板，在金字塔点阵芯体2的孔隙中间隔性填充有碳纤维增强PMI泡沫3，碳纤维增强PMI泡沫3内添加有增强相碳纤维4。
金字塔点阵芯体2的相对密度为0.01～0.15，碳纤维增强PMI泡沫3的密度为30～100kg/m3。
本发明一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构及其制备方法，首先制备金字塔点阵芯体；将金字塔点阵芯体与面板焊接制成金字塔点阵夹层板；利用碳纤维或再生碳纤维作为增强材料，以甲基丙烯腈与甲基丙烯酸作为共聚单体，加入引发剂、交联剂、发泡剂、成核剂等制备出可发泡聚合体；将可发泡聚合体填充入金字塔点阵夹层板的孔隙，在烘箱中自由发泡、热处理，制备得到完全充满于金字塔点阵夹层板孔隙的碳纤维增强PMI泡沫后，自然冷却至室温，得到碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构。具体步骤如下：
S1、将冲孔菱形网或平整过的拉伸网采用模压或折叠技术形成金字塔点阵芯体2，然后将面板1和金字塔点阵芯体2采用金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，采用钎焊或激光焊将面板1与金字塔点阵芯体2连接制成金字塔点阵夹层板；
冲孔菱形网或平整过的拉伸网以及面板的材质为不锈钢、钛合金、铝合金。
S2、将碳纤维原丝在350～450℃下的空气气氛中加热20～40min，然后浸入质量浓度20～40％的硝酸中煮沸10～30min，再用离去子水冲洗至中性；对于再生碳纤维，可以省去上述步骤，在去离子水中清洗即可；再将碳纤维或再生碳纤维长丝剪成2～4mm的短切碳纤维。
S3、按照重量份数比将40～60甲基丙烯腈、40～60甲基丙烯酸、0.1～0.3引发剂、0.5～0.8交联剂、2.0～3.0发泡剂、0.5～2.0成核剂进行混合，在15～25℃的水浴温度下，通过1000～3000r/min搅拌机转速混合1～3h将反应液搅拌均匀；
引发剂为偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰与偶氮二异丁腈混合物；发泡剂为丙二醇或甲酰胺；交联剂为丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺；成核剂为尿素、甲基脲或者氧化镁。
S4、将重量份数比为2～20的短切碳纤维加入反应液中，将混合液放置于超声分散仪中在5～50kHz频率下，超声分散20～50min，此时碳纤维可以均匀分散在反应液中；
S5、将反应液灌注入玻璃模具，随后放入水浴锅中，采用35～65℃水浴温度，使反应液发生聚合，聚合时间48～72h，可获得可发泡聚合体。
玻璃模具的形状为线状，内径为8～15mm。
S6、将可发泡聚合体填入金字塔点阵夹层板中后放入烘箱中自由发泡，发泡温度为200～220℃，发泡时间为1～3h；
可发泡聚合体在被填入金字塔点阵夹层板之前，需要将金字塔点阵夹层板进行酸碱洗以去除其表面氧化膜并干燥。
S7、待可发泡聚合体膨胀形成完全充满于金字塔点阵夹层板孔隙的碳纤维增强PMI泡沫3后，将结构放入烘箱中进行热处理，热处理温度为150～200℃，热处理时间为10～20h，随后自然冷却至室温，便可以得到碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图2，具体实施例如下：
实施例1
(1)将冲孔的316不锈钢菱形网采用模压技术形成金字塔点阵芯体2，然后将316不锈钢面板1和金字塔点阵芯体2采用金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，采用钎焊将面板1与金字塔点阵芯体2连接制成金字塔点阵夹层板；
(2)将碳纤维原丝在400℃下的空气气氛中加热20min，然后浸入质量浓度20％的硝酸中煮沸10min，再用离去子水冲洗至中性，最后将其剪成2mm的短切碳纤维。
(3)按照重量份数比将40甲基丙烯腈、40甲基丙烯酸、0.1偶氮二异丁腈、0.5丙烯酰胺、2.0丙二醇、0.5尿素进行混合，在15℃的水浴温度下，通过1000r/min搅拌机转速混合1h将反应液搅拌均匀；
(4)将重量份数比为4的碳纤维加入反应液中，将混合液放置于超声分散仪中在5kHz频率下，超声分散20min，此时碳纤维可以均匀分散在反应液中；
(5)将反应液灌注入玻璃模具，随后放入水浴锅中，采用35℃水浴温度，使反应液发生聚合，聚合时间48h，可获得可发泡聚合体；
(6)将可发泡聚合体填入金字塔点阵夹层板中后放入烘箱中自由发泡，发泡温度为200℃，发泡时间为1h；
(7)待可发泡聚合体膨胀形成完全充满于金字塔点阵夹层板孔隙的碳纤维增强PMI泡沫3后，将结构放入烘箱中进行热处理，热处理温度为150℃，热处理时间为10h，随后自然冷却至室温，便可以得到碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构。
实施例2
(1)将平整过的TC4钛合金板网采用折叠技术形成金字塔点阵芯体2，然后将TC4钛合金面板1和金字塔点阵芯体2采用金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，采用激光焊将面板1与金字塔点阵芯体2连接制成金字塔点阵夹层板；
(2)将再生碳纤维原丝用离去子水冲洗至中性，最后将其剪成3mm的短切碳纤维。
(3)按照重量份数比将50甲基丙烯腈、50甲基丙烯酸、0.2偶氮二异丁腈、0.6甲基丙烯酰胺、2.0甲酰胺、1.0甲基脲进行混合，在20℃的水浴温度下，通过2000r/min搅拌机转速混合2h将反应液搅拌均匀；
(4)将重量份数比为10的碳纤维加入反应液中，将混合液放置于超声分散仪中在30kHz频率下，超声分散30min，此时碳纤维可以均匀分散在反应液中；
(5)将反应液灌注入玻璃模具，随后放入水浴锅中，采用50℃水浴温度，使反应液发生聚合，聚合时间48h，可获得可发泡聚合体；
(6)将可发泡聚合体填入金字塔点阵夹层板中后放入烘箱中自由发泡，发泡温度为200℃，发泡时间为2h；
(7)待可发泡聚合体膨胀形成完全充满于金字塔点阵夹层板孔隙的碳纤维增强PMI泡沫3后，将结构放入烘箱中进行热处理，热处理温度为200℃，热处理时间为15h，随后自然冷却至室温，便可以得到碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构。
实施例3
(1)将平整过的6061铝合金板网采用折叠技术形成金字塔点阵芯体2，然后将6061铝合金面板1和金字塔点阵芯体2采用金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，采用激光焊将面板1与金字塔点阵芯体2连接制成金字塔点阵夹层板；
(2)将碳纤维原丝在350℃下的空气气氛中加热35min，然后浸入质量浓度30％的硝酸中煮沸15min，再用离去子水冲洗至中性，最后将其剪成4mm的短切碳纤维。
(3)按照重量份数比将60甲基丙烯腈、60甲基丙烯酸、0.2过氧化苯甲酰与偶氮二异丁腈混合物、0.7丙烯酰胺、3.0丙二醇、2.0氧化镁进行混合，在25℃的水浴温度下，通过3000r/min搅拌机转速混合3h将反应液搅拌均匀；
(4)将重量份数比为15的碳纤维加入反应液中，将混合液放置于超声分散仪中在50kHz频率下，超声分散50min，此时碳纤维可以均匀分散在反应液中；
(5)将反应液灌注入玻璃模具，随后放入水浴锅中，采用65℃水浴温度，使反应液发生聚合，聚合时间72h，可获得可发泡聚合体；
(6)将可发泡聚合体填入金字塔点阵夹层板中后放入烘箱中自由发泡，发泡温度为220℃，发泡时间为3h；
(7)待可发泡聚合体膨胀形成完全充满于金字塔点阵夹层板孔隙的碳纤维增强PMI泡沫3后，将结构放入烘箱中进行热处理，热处理温度为200℃，热处理时间为20h，随后自然冷却至室温，便可以得到碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构。
实施例4
(1)将平整过的6061铝合金板网采用折叠技术形成金字塔点阵芯体2，然后将6061铝合金面板1和金字塔点阵芯体2采用金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，采用激光焊将面板1与金字塔点阵芯体2连接制成金字塔点阵夹层板；
(2)将碳纤维原丝在450℃下的空气气氛中加热40min，然后浸入质量浓度40％的硝酸中煮沸30min，再用离去子水冲洗至中性，最后将其剪成4mm的短切碳纤维。
(3)按照重量份数比将60甲基丙烯腈、60甲基丙烯酸、0.3过氧化苯甲酰与偶氮二异丁腈混合物、0.8丙烯酰胺、3.0丙二醇、2.0氧化镁进行混合，在25℃的水浴温度下，通过3000r/min搅拌机转速混合3h将反应液搅拌均匀；
(4)将重量份数比为20的碳纤维加入反应液中，将混合液放置于超声分散仪中在50kHz频率下，超声分散50min，此时碳纤维可以均匀分散在反应液中；
(5)将反应液灌注入玻璃模具，随后放入水浴锅中，采用65℃水浴温度，使反应液发生聚合，聚合时间72h，可获得可发泡聚合体；
(6)将可发泡聚合体填入金字塔点阵夹层板中后放入烘箱中自由发泡，发泡温度为220℃，发泡时间为3h；
(7)待可发泡聚合体膨胀形成完全充满于金字塔点阵夹层板孔隙的碳纤维增强PMI泡沫3后，将结构放入烘箱中进行热处理，热处理温度为200℃，热处理时间为20h，随后自然冷却至室温，便可以得到碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构。
本发明采用自由基预聚体法，在金字塔点阵芯体内部原位发泡形成的碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构，利用金字塔点阵优异的力学性能以及碳纤维增强PMI泡沫的全闭孔、耐高温、抗静电、电磁屏蔽等优势，实现多功能的耦合，获得综合性能更加优异的结构功能一体化材料。
碳纤维是一种优质的纤维材料，具有诸多优异的性能，如比强度高、比模量高、耐高温、耐腐蚀等。将碳纤维或再生碳纤维均匀加入PMI泡沫后，不仅提高了PMI泡沫自身的力学性能，如压缩强度、剪切强度和孔壁韧性等，而且增加了PMI泡沫的电磁屏蔽性能、抗静电性能。
与传统的胶粘工艺相比，原位发泡可以让PMI泡沫均匀填充入金字塔点阵夹层板，减少了界面结合处的孔隙，有效提高了界面结合强度，使得复合结构的性能得到进一步提升。再生碳纤维的使用，不仅可以改善填埋废弃碳纤维材料造成的土地资源浪费问题，而且可以保护生态环境。
以上内容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，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。