专利名称：整体加固的复合材料点阵夹芯板及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种整体加固的复合材料点阵夹芯板及其制备方法，属于复合材料制 备技术领域。
背景技术：
点阵结构是为了满足工程结构上对轻型化和多功能化的要求，而设计出来的一种 新型结构，它具有高比刚度、高比强度、可设计性强以及满足多功能化要求的优点。这种新 型结构可以有效地承受外部载荷，同时具有易于布线、易于预埋微型器件及易于填充功能 材料等优点，是超轻多功能结构的理想结构平台。点阵结构因具有上述优点而成为最有应 用前景的新一代先进、轻质、超强韧的多功能结构。与金属材料相比，先进复合材料具有更 高的比强度和比刚度，是制备点阵结构的首选材料。然而，复合材料点阵结构的制备工艺比 较复杂，人们已提出了一体化成型工艺和二次成型工艺。一体化成型工艺可以解决点阵芯 子与复合材料面板的粘结强度问题，但其制备过程因过于复杂而依赖手工操作，不易实现 自动化及批量生产。二次成型工艺相对简单些，能够实现自动化，但其芯子与复合材料面 板间的粘结面积较小，因此芯子与面板间的粘结强度较低，使复合材料点阵结构的整体剪 切强度低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有自动化成型的复合材料点阵夹芯板由于芯子与复 合材料面板间的粘结面积较小，使其整体剪切强度低的问题，而提供一种整体加固的复合 材料点阵夹芯板及其制备方法。本发明的一种整体加固的复合材料点阵夹芯板，它由金字塔点阵芯子、上加固件、 下加固件、复合材料上面板和复合材料下面板组成，
金字塔点阵芯子由多个单向纤维点阵结构单体组成，每个单向纤维点阵结构单体是由 四个杆件组成的连续W形状的一体件，相邻杆件的联接处具有插槽结构，多个单向纤维点 阵结构单体通过插槽结构按照十字交叉式相互咬合形成金字塔点阵芯子；
金字塔点阵芯子上端的所有两个单向纤维点阵结构单体相互咬合处，与上加固件加固 连接，金字塔点阵芯子下端的所有两个单向纤维点阵结构单体相互咬合处，与下加固件加 固连接，上加固件和下加固件均为网格结构，网格结构的交叉点处周期分布有通孔或盲孔， 每两个单向纤维点阵结构单体的相互咬合处分别嵌入一个通孔或盲孔；上加固件的上表面 与复合材料上面板粘接在一起，下加固件的下表面与复合材料下面板粘接在一起。上述整体加固的复合材料点阵夹芯板的制备方法，它包括以下步骤
步骤一、分别清理用于成形单向纤维点阵结构单体的阴模和阳模的成模表面，并涂上 脱模剂；
步骤二、在阴模的凹槽内沿凹槽方向连续铺放并填满浸渍树脂纤维束，然后将阴模与 阳模合模；步骤三、采用热压工艺或RTM工艺制备单向纤维点阵结构单体并脱模； 步骤四、将步骤三制备所得的多个单向纤维点阵结构单体按照十字交叉式相互咬合， 形成金字塔点阵芯子，金字塔点阵芯子上端的每一个咬合处均嵌入上加固件的一个通孔或盲孔中进行加固，金字塔点阵芯子下端的每一个咬合处均嵌入下加固件的一个通孔或盲孔 中进行加固；
步骤五、将上加固件的上表面与复合材料上面板粘接在一起，下加固件的下表面与复 合材料下面板粘接在一起，即制得复合材料点阵夹芯板。本发明的优点是
本发明整体加固的复合材料点阵夹芯板，将多个单向纤维点阵结构单体通过插槽结 构，采用十字交叉式相互咬合的方式进行连接，并进一步通过上加固件和下加固件进行加 固，这种相互嵌锁的连接方式，使金字塔点阵芯子的结构更加稳定，上加固件和下加固件的 配合使用，使金字塔点阵芯子与复合材料上面板和复合材料下面板相粘接的时候，粘结面 积增大，进而增大了相互粘接的强度，提高了复合材料点阵结构的剪切强度，为将来的工程 应用提供了技术储备。本发明方法通过上加固件和下加固件对相互连接的单向纤维点阵结构单体之间 进行加固，它同时增大了金字塔点阵芯子与复合材料上面板和复合材料下面板的粘接面 积，进一步增强了对单向纤维点阵结构单体相互之间的约束，提高了复合材料点阵夹芯板 整体的剪切强度。
图1为本发明中采用的阴模的结构示意图；图2为本发明中采用的阳模的结构示 意图；图3为单向纤维点阵结构单体的结构示意图；图4为两个单向纤维点阵结构单体的 装配示意图；图5为上加固件的结构示意图；图6为整体加固后的金字塔点阵芯子的结构 示意图；图7为本发明所述整体加固的复合材料点阵夹芯板的结构示意图；图8为本发明 制备方法的流程图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式由金字塔点阵 芯子1、上加固件2-1、下加固件2-2、复合材料上面板3和复合材料下面板4组成，
金字塔点阵芯子1由多个单向纤维点阵结构单体1-1组成，每个单向纤维点阵结构单 体1-1是由四个杆件组成的连续W形状的一体件，相邻杆件的联接处具有插槽结构，多个单 向纤维点阵结构单体1-1通过插槽结构按照十字交叉式相互咬合形成金字塔点阵芯子1 ； 金字塔点阵芯子1上端的所有两个单向纤维点阵结构单体1-1相互咬合处，与上加固 件2-1加固连接，金字塔点阵芯子1下端的所有两个单向纤维点阵结构单体1-1相互咬合 处，与下加固件2-2加固连接，上加固件2-1和下加固件2-2均为网格结构，网格结构的交 叉点处周期分布有通孔或盲孔，每两个单向纤维点阵结构单体1-1的相互咬合处分别嵌入 一个通孔或盲孔；上加固件2-1的上表面与复合材料上面板3粘接在一起，下加固件2-2的 下表面与复合材料下面板4粘接在一起。本实施方式中，金字塔点阵芯子1位于复合材料上面板3和复合材料下面板4之间，组成金字塔点阵芯子1的多个单向纤维点阵结构单体1-1通过相互咬合的方式连接，相 互嵌锁、胶接构成，再由上加固件2-1和下加固件2-2对咬合处进一步加固，加固的同时， 也增加了金字塔点阵芯子1与复合材料上面板3和复合材料下面板4的粘接面积，它提高 了复合材料点阵夹芯板的面芯剪切强度，比传统金属点阵夹芯板具有更高的比强度和比刚度。上加固件2-1和下加固件2-2上分布有通孔时，复合材料上面板3和复合材料下 面板4与其粘接的同时，还与其所加固的两个单向纤维点阵结构单体1-1相互咬合处的外 表面同时粘接；上加固件2-1和下加固件2-2上分布有盲孔时，复合材料上面板3和复合材 料下面板4则分别与其表面粘接。上加固件2-1和下加固件2-2的使用，进一步增强了单 向纤维点阵结构单体1-1之间的约束，提高了所述夹芯板的整体稳定性。具体实施方式
二 本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述上加固件2-1和 下加固件2-2的材质为金属材料或复合材料。其它组成及连接关系与实施方式一相同。所述金属材料可以为低密度的镁合金、铝合金等；若采用复合材料，要求具有较高 的强度。金属材料制备的上加固件2-1和下加固件2-2具有工艺简单，质量稳定，成本低的 优点，但强度低于采用复合材料制备的上加固件2-1和下加固件2-2 ；复合材料制备的上加 固件2-1和下加固件2-2，具有强度高、密度低的优点，但是成形工艺复杂，可在实际使用中 根据需要选定。具体实施方式
三本实施方式与实施方式二的不同之处在于所述金属材料的上加 固件2-1和下加固件2-2为冲压成型或浇注成型。其它组成及连接关系与实施方式二相同。本实施方式中的成型工艺适用于上加固件2-1和下加固件2-2采用低密度金属材 料制备的情况。具体实施方式
四本实施方式与实施方式二的不同之处在于所述复合材料的上加 固件2-1和下加固件2-2为模压成型。其它组成及连接关系与实施方式二相同。本实施方式中的成型工艺适用于上加固件2-1和下加固件2-2采用复合材料制备 的情况。本发明上述各实施方式中，上加固件2-1和下加固件2-2上分布的通孔或盲孔，需 按设计要求进行加工，通孔或盲孔可为十字开口的方式。本发明技术方案同样适用于两个单向纤维点阵结构单体1-1相互咬合处形成其 它特殊形状的情况，此时上加固件2-1和下加固件2-2上分布的通孔或盲孔则为与其相应 的特殊形状，比如长方形孔、菱形孔等。具体实施方式
五下面结合图8来说明本实施方式，本实施方式为整体加固的复 合材料点阵夹芯板的制备方法，它包括以下步骤
步骤一、分别清理用于成形单向纤维点阵结构单体1-1的阴模和阳模的成模表面，并 涂上脱模剂；
步骤二、在阴模的凹槽内沿凹槽方向连续铺放并填满浸渍树脂纤维束，然后将阴模与 阳模合模；
步骤三、采用热压工艺或RTM工艺制备单向纤维点阵结构单体1-1并脱模； 步骤四、将步骤三制备所得的多个单向纤维点阵结构单体1-1按照十字交叉式相互咬合，形成金字塔点阵芯子1，金字塔点阵芯子1上端的每一个咬合处均嵌入上加固件2-1的 一个通孔或盲孔中进行加固，金字塔点阵芯子1下端的每一个咬合处均嵌入下加固件2-2 的一个通孔或盲孔中进行加固；
步骤五、将上加固件2-1的上表面与复合材料上面板3粘接在一起，下加固件2-2的下 表面与复合材料下面板4粘接在一起，即制得复合材料点阵夹芯板。本实施方式中单向纤维点阵结构单体1-1的成形采用的RTM工艺是一种树脂基复 合材料的成型工艺；步骤二中铺放浸渍树脂纤维束时，既要保证纤维束的连续，同时也要 使阴模的凹槽内充实。采用本实施方式所述方法成形的整体加固的复合材料点阵夹芯板质量稳定，并且 所述方法具有效率高，成本低，易于实现批量生产等优点。具体实施方式
六本实施方式为实施方式五的进一步说明，所述复合材料上面板 3和复合材料下面板4的制备方法均为将预浸的单向纤维无纬布按承载要求顺序铺设，然 后采用热压机加温至120°C -130°C，保持压力为lMPa-2MPa，持续20min，即制得复合材料上 面板3或复合材料下面板4。所述的单向纤维无纬布的铺设要根据实际使用中对夹芯板所要求的承载情况进 行设计，具有可设计的优点。本实施方式所述的复合材料上面板3和复合材料下面板4的 制备方法，具有方便在制备的过程中进行质量控制，并且成本低、效率高，易于实现批量生 产的优势。具体实施方式
七本实施方式为实施方式五的进一步说明，步骤三中所述热压工 艺为将步骤二中所述的合模后的阴模与阳模放在液压机上，加温至150°C 180°C，保持 压力为1 2MPa，持续1. 5h-2h，制得单向纤维点阵结构单体1_1。所述热压工艺的工艺过程易于控制，并且效率高，成本低，可实现单向纤维点阵结 构单体1-1的批量生产。
权利要求
一种整体加固的复合材料点阵夹芯板，其特征在于它由金字塔点阵芯子(1)、上加固件(2-1)、下加固件(2-2)、复合材料上面板(3)和复合材料下面板(4)组成，金字塔点阵芯子(1)由多个单向纤维点阵结构单体(1-1)组成，每个单向纤维点阵结构单体(1-1)是由四个杆件组成的连续W形状的一体件，相邻杆件的联接处具有插槽结构，多个单向纤维点阵结构单体(1-1)通过插槽结构按照十字交叉式相互咬合形成金字塔点阵芯子(1)；金字塔点阵芯子(1)上端的所有两个单向纤维点阵结构单体(1-1)相互咬合处，与上加固件(2-1)加固连接，金字塔点阵芯子(1)下端的所有两个单向纤维点阵结构单体(1-1)相互咬合处，与下加固件(2-2)加固连接，上加固件(2-1)和下加固件(2-2)均为网格结构，网格结构的交叉点处周期分布有通孔或盲孔，每两个单向纤维点阵结构单体(1-1)的相互咬合处分别嵌入一个通孔或盲孔；上加固件(2-1)的上表面与复合材料上面板(3)粘接在一起，下加固件(2-2)的下表面与复合材料下面板(4)粘接在一起。
2.根据权利要求1所述的整体加固的复合材料点阵夹芯板，其特征在于所述上加固 件(2-1)和下加固件(2-2)的材质为金属材料或复合材料。
3.根据权利要求2所述的整体加固的复合材料点阵夹芯板，其特征在于所述金属材 料的上加固件(2-1)和下加固件(2-2)为冲压成型或浇注成型。
4.根据权利要求2所述的整体加固的复合材料点阵夹芯板，其特征在于所述复合材 料的上加固件(2-1)和下加固件(2-2)为模压成型。
5.一种权利要求1-4中任意一个所述的整体加固的复合材料点阵夹芯板的制备方法， 其特征在于它包括以下步骤步骤一、分别清理用于成形单向纤维点阵结构单体(1-1)的阴模和阳模的成模表面，并 涂上脱模剂；步骤二、在阴模的凹槽内沿凹槽方向连续铺放并填满浸渍树脂纤维束，然后将阴模与 阳模合模；步骤三、采用热压工艺或RTM工艺制备单向纤维点阵结构单体(1-1)并脱模；步骤四、将步骤三制备所得的多个单向纤维点阵结构单体(1-1)按照十字交叉式相互 咬合，形成金字塔点阵芯子(1)，金字塔点阵芯子(1)上端的每一个咬合处均嵌入上加固件 (2-1)的一个通孔或盲孔中进行加固，金字塔点阵芯子(1)下端的每一个咬合处均嵌入下加 固件(2-2)的一个通孔或盲孔中进行加固；步骤五、将上加固件(2-1)的上表面与复合材料上面板(3)粘接在一起，下加固件 (2-2)的下表面与复合材料下面板(4)粘接在一起，即制得复合材料点阵夹芯板。
6.根据权利要求5所述的整体加固的复合材料点阵夹芯板的制备方法，其特征在于 所述复合材料上面板(3)和复合材料下面板(4)的制备方法均为将预浸的单向纤维无纬 布按承载要求顺序铺设，然后采用热压机加温至120°C -130°C，保持压力为lMPa-2MPa，持 续20min，即制得复合材料上面板(3)或复合材料下面板(4)。
7.根据权利要求5所述的整体加固的复合材料点阵夹芯板的制备方法，其特征在于 步骤三中所述热压工艺为将步骤二中所述的合模后的阴模与阳模放在液压机上，加温至 150°C 180°C，保持压力为1 2MPa，持续1. 5h_2h，制得单向纤维点阵结构单体(1_1 )。
全文摘要
整体加固的复合材料点阵夹芯板及其制备方法，属于复合材料制备技术领域。它解决了现有自动化成型的复合材料点阵夹芯板由于芯子与复合材料面板间的粘结面积较小，使其整体剪切强度低的问题。夹芯板由金字塔点阵芯子、上加固件、下加固件、复合材料上面板和复合材料下面板组成；夹芯板的制备方法为清理模具的成模表面，并涂上脱模剂；在阴模的凹槽内沿凹槽方向连续铺放并填满浸渍树脂纤维束，然后将阴模与阳模合模；制备单向纤维点阵结构单体；将单向纤维点阵结构单体按照十字交叉式相互咬合，由上加固件和下加固件加固；上加固件与复合材料上面板粘接，下加固件与复合材料下面板粘接。本发明为一种复合材料点阵夹芯板及其制备方法。
文档编号B32B37/12GK101837664SQ20101020299
公开日2010年9月22日 申请日期2010年6月18日 优先权日2010年6月18日
发明者吴倩倩, 吴林志, 张国旗, 马力 申请人:哈尔滨工业大学