热塑性复合芯材的生产方法和生产设备与流程

本发明涉及材料成型技术领域，具体地，涉及一种热塑性复合芯材的生产方法和生产设备。

背景技术：

蜂窝芯板不仅具有低密度、高强度的优点，还具备减震、隔音、隔热等许多优异的性能，因此被广泛应用在船舶、交通运输、航空航天等领域。其中，热塑性蜂窝芯材更具有极高的比强度、废料可回收再生利用、热成型性能好等优势，相比传统的金属材料和非可再生的热固性材料更具有竞争力。

随着实际应用需求的不断升级，由单一结构材料制备的热塑性蜂窝芯材已不能满足各种复杂的应用场景。在实际应用场景中，热塑性蜂窝芯材除了需要达到轻质重载的要求，往往还需要针对不同的使用环境来适应性地增加一些使用功能，如阻燃性能、隔音性能、防腐性能等。现有的蜂窝形芯材通常通过在蜂窝壁的基体材料中分散性地添加功能填料的方式来产生新的功能，但功能材料受限于可添加的比例以及分散性的分布特点，其产生的功能效果也大大受限。此外，为了进一步提高蜂窝形芯材的强度，通常通过在蜂窝壁的基体材料中分散性地添加增强材料的方式来实现，但增强材料受限于可添加的比例以及分散性的分布特点，其产生的增强效果也大大受限。由此，现有的热塑性芯材仍在功能需求多样化和如何进一步增强力学强度方面存在瓶颈。

技术实现要素：

针对现有技术的上述缺陷或不足，本发明提供了一种热塑性复合芯材的生产方法和生产设备，能够实现能够低成本、大批量生产出力学性能优异且适于对结构强度要求苛刻的应用领域的双层结构热塑性复合芯材。

为实现上述目的，本发明提供了一种热塑性复合芯材的生产方法，包括：

沿流水线输出方向持续输出具有沿厚度方向层叠的功能层和结构层的几何片材或平整片材；

将所述平整片材或几何片材沿所述流水线输出方向拉伸取向并分割加工成多个芯材单元片，其中至少部分的所述芯材单元片的片材表面上加工出沿所述芯材单元片的长度方向重复呈现的非闭合的几何体；

将各个所述芯材单元片层叠拼接成单元拼接体，其中所述单元拼接体中形成有通过所述几何体拼接而成的多个轴孔结构。

在一些实施例中，在所述几何片材或平整片材中，所述功能层与所述结构层可具有相容性并在模内热复合成型。

在一些实施例中，所述平整片材或几何片材的输出加工方式可为挤出、压延、流延或辊压加工；和/或，所述几何体的加工方式可为辊式模具挤压、板状模具挤压或链式模具挤压；和/或，沿所述流水线输出方向持续输出的所述平整片材或几何片材中，所述结构层的片层厚度可不小于0.1mm。

可选地，所述轴孔结构包括拼接轴孔和围绕所述拼接轴孔的周向封闭的轴孔周壁，任意形状的所述拼接轴孔的外接圆的直径不小于1mm；和/或，任意形状的所述拼接轴孔的孔轴长与该拼接轴孔的外接圆的直径之比不大于200。

可选地，所述结构层的材质包括热塑性聚合物、填料填充的热塑性聚合物、纤维增强的热塑性树脂基复合材料、塑性形变纸张和/或钢塑复合物。

可选地，所述热塑性聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、热塑性聚酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚苯醚、热塑性弹性体、多元共聚热塑性塑料、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮和聚酰亚胺中的一种或其中多种的共混物；

或者，填料填充的所述热塑性聚合物中的填料为蜡、滑石粉、炭黑、白炭黑、高岭土、碳酸钙、硬脂酸、硬脂酸钙、晶须、二氧化钛、氧化铁、颜料、阻燃剂和抗氧剂中的一种或其中多种的组合物；

或者，纤维增强的所述热塑性树脂基复合材料中的纤维为有机纤维、无机纤维、金属纤维、高分子纤维、植物纤维中的一种或多种；

或者，纤维增强的所述热塑性树脂基复合材料中的纤维为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、钢丝纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维和麻纤维中的一种或者其中多种的组合物。

可选地，所述功能层为阻燃层、抗紫外层、颜色层、阻热或传热层、透磁或阻磁层、抗菌层、或隔音层中的一种或者多种功能组合层，；和/或，所述功能层的材质包括阻燃填料填充聚合物、抗紫外填料填充聚合物、颜料填料填充聚合物、阻热或传热填料填充聚合物、透磁或阻磁填料填充聚合物、抗菌填料填充聚合物、隔音填料填充聚合物中的一种或者多种组合物。

在一些实施例中，在将所述平整片材或几何片材分割加工成多个所述芯材单元片时，多个所述芯材单元片可沿所述流水线输出方向依次排布且沿宽边输出方向呈带状延伸。

在一些实施例中，将各个所述芯材单元片层叠拼接成单元拼接体可包括：

将各个所述芯材单元片翻转预设角度，使得翻转后的所述芯材单元片的长度方向保持沿所述宽边输出方向，所述芯材单元片的宽度方向与所述流水线输出方向之间形成夹角；

沿所述流水线输出方向将各个所述芯材单元片层叠拼接成所述单元拼接体。

可选地，将各个所述芯材单元片翻转预设角度包括：

使任意相邻的两个所述芯材单元片的翻转方向相反；

其中，在沿所述流水线输出方向依次排布的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片中，所述第二芯材单元片的所述结构层与一侧的所述第一芯材单元片的所述结构层沿所述流水线输出方向对齐，所述第二芯材单元片的所述功能层与另一侧的所述第三芯材单元片的所述功能层沿所述流水线输出方向对齐。

可选地，将各个所述芯材单元片翻转预设角度包括：

使任意相邻的两个所述芯材单元片的翻转方向相同；

其中，在沿所述流水线输出方向依次排布的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片中，所述第二芯材单元片的所述结构层与一侧的所述第一芯材单元片的所述功能层沿所述流水线输出方向对齐，所述第二芯材单元片的所述功能层与另一侧的所述第三芯材单元片的所述结构层沿所述流水线输出方向对齐。

进一步地，将各个所述芯材单元片层叠拼接成单元拼接体还可包括：

沿所述宽边输出方向移动调整所述芯材单元片，使得任意相邻的两个所述芯材单元片中，一者的几何形状高点与另一者的几何形状低点沿所述流水线输出方向对齐。

在一些实施例中，将所述平整片材或几何片材沿所述流水线输出方向拉伸取向可包括：

使所述平整片材或几何片材在相邻的流水线加工设备之间形成输出速度差以拉伸取向，其中沿所述流水线输出方向，所述平整片材或几何片材的任一后序输出速度不小于前序输出速度，并且所述平整片材或几何片材包括输出速度大于任何所述前序输出速度的至少一个所述后序输出速度。

可选地，所述生产方法还包括：

使得当所述平整片材或几何片材的片材表面的垂直方向为承受压缩载荷方向时，所述单元拼接体的材料体积利用率不低于60％，优选的，材料体积利用率不低于80％；

和/或，在所述单元拼接体的平行于所述片材表面的芯材横截面上，平面空隙率不低于40％，进一步的，所述平面空隙率不低于60％。

根据本发明的另一方面，提供了一种热塑性组合芯材的生产设备，可包括：

热塑材料成型设备，用于沿流水线输出方向持续输出具有沿厚度方向层叠的功能层和结构层的几何片材或平整片材；

芯材单元片加工成型组件，用于将所述平整片材或几何片材沿所述流水线输出方向拉伸取向并分割加工成多个芯材单元片，其中至少部分的所述芯材单元片的片材表面上加工出沿所述芯材单元片的长度方向重复呈现的非闭合的几何体；

单元拼接体拼接组件，用于将各个所述芯材单元片层叠拼接成单元拼接体，其中所述单元拼接体中形成有通过所述几何体拼接而成的多个轴孔结构。

在一些实施例中，所述热塑材料成型设备可包括上下布置的第一挤出模具和第二挤出模具以及位于所述第一挤出模具和所述第二挤出模具的成型挤出口的热复合成型段。

进一步地，所述芯材单元片加工成型组件可包括：

塑材表面加工设备，用于对所述平整片材或几何片材加工以在至少部分的塑材表面上加工出沿宽边输出方向重复呈现的非闭合的所述几何体，其中，所述热塑材料成型设备与所述塑材表面加工设备之间和/或所述塑材表面加工设备之间形成有输出速度差，以形成沿所述流水线输出方向对所述平整片材或几何片材的拉伸取向；

切割组件，用于沿所述宽边输出方向切割加工后的所述平整片材或几何片材，以形成沿所述流水线输出方向等宽地依次排列且沿所述宽边输出方向呈带状延伸的多个所述芯材单元片。

此外，所述单元拼接体拼接组件可包括：

导向定位组件，用于将各个所述芯材单元片翻转预设角度，使得翻转后的所述芯材单元片的长度方向保持沿所述宽边输出方向，所述芯材单元片的宽度方向与所述流水线输出方向之间形成夹角；

芯材单元片拼接组件，用于沿所述流水线输出方向归拢依次排布的各个所述芯材单元片以层叠拼接成单元拼接体。

在本发明的热塑性复合芯材的生产方法中，通过在加工平整片材或几何片材的相邻的流水线加工设备上形成输出速度差，从而形成沿流水线输出方向对平整片材或几何片材的拉伸取向，即使得平整片材或几何片材在加工过程中的分子链、填充材料或者增强材料等沿承受重载的方向取向，以使本发明的热塑性复合芯材承载方向的力学性能得到增强。并且，本发明的生产方法可通过例如热复合挤出模具等持续输出双层塑性材料，生产连续性较好，可流水线操作，一体化生产出蜂窝体，生产效率高，可大规模生产应用，降低生产成本，而且生产过程只有分隔和辊压等加工方式，无材料浪费。此外，本发明的生产设备均由多个相对简单的装置组成，大大降低生产成本、并可实现连续大规模生产。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明的具体实施例中，热塑性复合芯材的生产方法的流程示意图；

图2为根据发明的一种具体实施例的热塑材料成型设备；

图3为应用于图1的生产方法中的生产设备的一种具体实施例的结构示意图；

图4为应用于图1的生产方法中的生产设备的另一种具体实施例的结构示意图；

图5为构成本发明的单元拼接体的一种具体实施例的最小组成单元的芯材单元片的主视图；

图6为图5的局部放大示意图；

图7展示了根据本发明的一种具体实施例的热塑性复合芯材的立体结构；

图8为图7的主视图；

图9展示了图5所示的芯材单元片的一种层叠拼接的方式，其中任意相邻的两个芯材单元片的翻转方向相同；

图10为图9的局部放大示意图；

图11展示了图5所示的芯材单元片的另一种层叠拼接的方式，其中任意相邻的两个芯材单元片的翻转方向相反；

图12为图11的局部放大示意图；

图13为展示了一种根据本发明的热塑性复合芯材的结构的主视图，其中的拼接轴孔有多种形状，相邻的芯材单元片的结构形状不同。

附图标记说明：

100单元拼接体101拼接轴孔

102几何形状高点103几何形状低点

104几何体105几何体第一内孔

106几何体第二内孔1热塑材料成型设备

1a第一挤出模具1b第二挤出模具

1c热复合成型段2’塑材表面加工设备

3胶枪4切割组件

5导向定位组件6芯材单元片拼接组件

5a正向转向器5b反向转向器

10平整片材10’几何片材

30芯材单元片

31平整芯材单元片32几何芯材单元片

a结构层b功能层

d1第一方向d2第二方向

d3第三方向z流水线平台垂直方向

x流水线输出方向y宽边输出方向

a夹角

w宽度方向l长度方向

oo'几何体第一内孔中心线pp’旋转轴线

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明实施例中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。

下面将参考附图并结合示例性实施例来详细说明本发明。

本发明的示例性实施例中提供了一种热塑性复合芯材及其生产方法和生产设备。如图5～图8所示，本发明的热塑性复合芯材为蜂窝形芯材，即为图中所示单元拼接体100，该单元拼接体100由多个沿第一方向d1延伸且沿第二方向d2层叠拼接的芯材单元片30组成，通过对芯材单元片30中的分子链、填充材料等进行取向，使得单元拼接体100拉伸方向的力学性能大大增强。

现有的热塑性蜂窝芯材为了提高蜂窝形芯材的强度，通常通过在蜂窝壁的基体材料中分散性地添加增强材料的方式来实现，但增强材料受限于可添加的比例以及分散性的分布特点，性能往往分散性大且难以精确控制材料的结构和性能，故其产生的增强效果也大大受限。此外，现有的热塑性蜂窝芯材通常通过在蜂窝壁的基体材料中分散性地添加功能填料的方式来增加热塑性蜂窝芯材的新功能，如阻燃、防热、屏蔽、吸声等功能。但是此种方式也受限于功能填料的可添加最大比例以及实际分布状况，功能填料产生的功能效果也大大受限。

相较于现有的热塑性蜂窝芯材，本发明的热塑性复合芯材除了保持了原有结构材料的轻质重载的优点以外，本发明的新型的热塑性复合芯材的生产方法通过对芯材单元片30中的分子链、填充材料等进行取向，能生产出力学性能更优异且适于对结构强度要求更苛刻的应用领域的热塑性复合芯材。与此同时，本发明的热塑性复合芯材的蜂窝壁为结构层复合功能层的双层片材热复合结构，可适应性地将不同的功能材料与结构材料热复合以获得单一结构材料所不能达到的综合性能，满足了实际应用中的多样化的需求。

另外，市面上的热塑性蜂窝形芯材主要有两种，一种是圆管式蜂窝芯材，即通过挤出壁厚较厚的圆管后将其吹塑形成壁厚较小的圆管，并将多根圆管堆成坨后放入烤箱进行加热，圆管加热后相互粘结形成圆管式蜂窝形芯材。此圆管式蜂窝芯材的生产简单但不连续、生产效率低。还有一种是在片材表面吸塑形成半蜂窝形结构，然后将成型后的片材折叠成蜂窝体结构，该折叠式蜂窝芯材生产连续但控制复杂，且物料浪费较多。再者，无论是圆管式蜂窝芯材还是折叠式蜂窝芯材，都需要通过吹塑或者吸塑的生产工艺成型，吹塑或吸塑均受限于加工压力和热塑性材料的塑性性能等，使得热塑性蜂窝芯材的最大壁厚受限且容易产生破壁，不利于添加结构填料或者功能填料，导致热塑性芯材的应用场合受限，无法满足实际应用中的多样化的需求。

进一步地，参见图1，本发明的热塑性复合芯材的生产方法可实现连续流水作业、生产效率高、大大降低生产成本、实现节约型生产，且均无需采用吸塑或吹塑的生产工艺，无壁厚方面的限制，可生产出较大壁厚的的热塑性复合芯材，同时可添加各种增强填料或者功能填料，不会产生破壁，大大拓展了本发明的热塑性复合芯材的应用场合。

更进一步地，参见图2～图4，针对本发明的热塑性复合芯材的生产方法，相应地，本发明还提供了两种热塑性复合芯材的生产设备，该生产设备由多个相对简单的装置组成，大大降低生产成本、并可实现连续大规模生产。

以下将述及本发明的热塑性复合芯材及其生产方法和生产设备。

其中，为了便于说明和理解本发明的热塑性复合芯材及其生产方法和生产设备，定义平整片材10或几何片材10’从热塑材料成型设备1沿流水线持续输出的方向为流水线输出方向x，即平整片材10或几何片材10’的长度方向；定义平整片材10或几何片材10’的宽度方向为平整片材10或几何片材10’的宽边输出方向y；定义垂直于流水线平台的方向为垂直方向z。参见图3、图4，坐标系原点均设置在热塑材料成型设备1的上游，并通过流水线输出方向x、宽边输出方向y和流水线平台垂直方向z共同限定出了每一组生产设备的绝对坐标系。定义芯材单元片30的宽度方向w为单元拼接体100的第三方向d3；定义芯材单元片30的长度方向l为单元拼接体100的第一方向d1；定义单元拼接体100的厚度方向为单元拼接体的第二方向d2。

参见图1，本发明的热塑性复合芯材的生产方法可包括步骤：

s41、沿流水线输出方向x持续输出具有沿厚度方向层叠的功能层和结构层的几何片材10’或平整片材10；

s42、将平整片材10或几何片材10’沿流水线输出方向x拉伸取向并分割加工成多个芯材单元片30，其中至少部分的芯材单元片30的片材表面上加工出沿芯材单元片30的长度方向l重复呈现的非闭合的几何体104；

s43、将各个芯材单元片30层叠拼接成单元拼接体100，其中单元拼接体100中形成有通过几何体104拼接而成的多个轴孔结构。

本发明的热塑性复合芯材的生产方法通过对平整片材10或几何片材10’沿流水线输出方向进行拉伸取向，使得平整片材10或几何片材10’的分子链、填充材料等沿拉伸方向进行取向，以使得单元拼接体100拉伸取向方向的力学性能大大增强。由此，本发明的生产方法能生产出力学性能更优异且适于对结构强度要求更苛刻的应用领域的热塑性复合芯材。

具体地，本发明的生产方法通过在相邻的流水线加工设备上形成平整片材10或几何片材10’的输出速度差来对平整片材10或几何片材10’进行拉伸取向。在此拉力的作用下，几何片材10’或平整片材10中原本无序分布的分子链、填充材料或者增强材料等沿拉力作用的方向进行有序排列，即沿拉力方向进行取向，由此使得平整片材10或几何片材10’的力学性能产生各向异性并在取向方向得到大大的增强。一般蜂窝芯体产品主要承受沿第三方向d3(也就是沿几何体第一内孔中心线oo'的方向)的载荷，即芯材单元片30的宽度方向w。在本发明的实施例中，如图3所示，芯材单元片30拉伸取向的方向即为芯材单元片30的宽度方向w。换言之，热塑性复合芯材承受载荷的方向即为本发明的芯材单元片30的取向方向，即本发明的热塑性复合芯材在承受载荷的方向上拥有更好的力学强度。

其中，流水线加工设备可例如为热塑材料成型设备1和塑材表面加工设备2’，还可为其他能改变平整片材10或几何片材10’的输出速度的生产加工设备，本发明不限于此。热塑材料成型设备1可通过挤出、压延、流延或辊压加工方式加工并输出平整片材10或几何片材10’，则平整片材10或几何片材10’在热塑材料成型设备1的输出速度可为平整片材10或几何片材10’的挤出成型速度、压延成型速度、流延成型速度或辊压对的外圆周成型线速度等。塑材表面加工设备2’可采用例如为辊式模具挤压或链式模具挤压等，则平整片材10或几何片材10’在塑材表面加工设备2’的输出速度可为辊压对的外圆周成型线速度或链式模具的外周成型线速度等。

其中，对于平整片材10或几何片材10’在输出流水线上的任意两个速度，前序输出速度为相对靠近输出流水线上游的输出速度，后序输出速度为相对靠近输出流水线下游的输出速度。为了防止平整片材10或几何片材10’在输出流水线上堆积和保证平整片材10或几何片材10’流畅输出，沿流水线输出方向x，平整片材10或几何片材10’的任一后序输出速度不小于前序输出速度。并且，为了使得平整片材10或几何片材10’沿流水线输出方向进行取向，需在输出流水线上形成至少一个输出速度差以对平整片材10或几何片材10’进行拉伸取向，换言之，需保证平整片材10或几何片材10’包括输出速度大于任何前序输出速度的至少一个后序输出速度即可。

在步骤s41中，无论是沿流水线输出方向x持续输出的平整片材10还是几何片材10’，两者均为双层片材热复合结构，即沿厚度方向具有层叠的结构层a和功能层b。结构层a和功能层b的材料具有相容性，即沿流水线输出方向x同步输出的结构材料和功能材料在模具内可不通过粘结剂进行复合，能直接在生产流水线上热复合成型。由此，双层片材热复合结构可连续沿流水线输出方向x直接成型输出，生产工艺简单连续。此外，本发明的热塑性复合芯材可适应性地根据所需的功能选择不同的功能材料与结构材料进行热复合，可选地，功能材料可为阻燃材料、防腐材料、隔音材料等。由于在本发明的生产方法中无吸塑或者吹塑工艺，故热塑性复合材料无壁厚方面限制，即沿流水线输出方向x持续输出的平整片材10或几何片材10’中，结构层a的片层厚度可不小于0.1mm，由此形成的蜂窝形芯体的结构强度高。

进一步地，步骤s42可包括子步骤：

s421、将平整片材10或几何片材10’沿流水线输出方向x拉伸取向并在至少部分的片材表面上加工出沿平整片材10或几何片材10’的宽边输出方向y重复呈现的非闭合的几何体104；

s422、沿宽边输出方向y切割片材表面上成型有几何体104的平整片材10或几何片材10’，以形成沿流水线输出方向x等宽的多个带状的芯材单元片30。

需要说明的是，沿流水线输出方向x持续输出的几何片材10’的片材表面上形成有沿宽边输出方向y重复呈现的非闭合的几何体104，几何体104沿流水线输出方向x连续延伸形成几何形状带。从热塑材料成型设备1挤出的几何片材10’通常是软化的，不利于后续快速连续加工，故可在挤出几何片材的后方增设几何体塑形组件，从而便于将软化的挤出几何片材进一步压实、固化、定型，以便于后续的切割、翻转、打胶等作业，几何体塑形组件可设置在热塑材料成型设备1下游。并且，持续输出的几何片材10’难以在后续加工成型过程中形成平整芯材单元片31，只能形成几何芯材单元片32。而沿流水线输出方向x持续输出的平整片材10不仅可加工出几何芯材单元片32，也可加工出平整芯材单元片31。几何体104的成型或塑形方式可采用辊式模具挤压、板状模具挤压或链式模具挤压等。

其中，在将平整片材10或几何片材10’分割加工成多个芯材单元片30时，多个芯材单元片30沿流水线输出方向x依次排布且沿芯材单元片30的长度方向l呈带状延伸。多个芯材单元片30的片材表面上加工出垂直于片材表面的几何凸起部，在几何凸起部上形成有在片材表面呈非闭合状的并沿流水线输出方向x轴向贯通的几何体第一内孔105，即形成几何体104，几何体104在至少部分的芯材单元片30的片材表面上沿宽边输出方向y重复出现。如图3所示，多个芯材单元片30上加工出有几何体第一内孔中心线oo’平行于流水线输出方向x的几何体104。

进一步地，步骤s43可包括子步骤：

s431、将各个芯材单元片30翻转预设角度，使得翻转后的芯材单元片30的长度方向l保持沿宽边输出方向y，芯材单元片30的宽度方向w与流水线输出方向x之间形成夹角a；

s432、沿流水线输出方向x将各个芯材单元片30层叠拼接成单元拼接体100。

在步骤s431中，各个芯材单元片30的旋转轴线pp’均沿宽边输出方向y。芯材单元片30翻转后，芯材单元片30的几何体第一内孔中心线oo’与平整片材10的片材表面形成的夹角a，即芯材单元片30的宽度方向w与流水线输出方向x之间形成的夹角a。其中，翻转的预设角度即为夹角a，夹角a可为锐角可为钝角。优选的，如图3所示，夹角a为90°，翻转后的各个芯材单元片30的几何体第一内孔中心线oo’垂直于流水线平台，即翻转后的各个芯材单元片30与平整片材10垂直。

在一些具体实施例中，步骤s431还可包括：

使任意相邻的两个芯材单元片30的翻转方向相反；

其中，在沿流水线输出方向x依次排布的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片中，第二芯材单元片的结构层a与一侧的第一芯材单元片的结构层a沿流水线输出方向x对齐，第二芯材单元片的功能层b与另一侧的第三芯材单元片的功能层b沿流水线输出方向x对齐。如图10、图11所示，相邻的两个芯材单元片30的翻转方向相反并拼接在一起时，拼接位置的组合方式为a-a-b-b接触，即相邻两个芯材单元片的拼接位置的两侧均为功能层b或均为结构层a。

在一些具体实施例中，步骤s431可包括：

使任意相邻的两个芯材单元片30的翻转方向相同；

其中，在沿流水线输出方向x依次排布的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片中，第二芯材单元片的结构层a与一侧的第一芯材单元片的功能层b沿流水线输出方向x对齐，第二芯材单元片的功能层b与另一侧的第三芯材单元片的结构层a沿流水线输出方向x对齐。如图8、图9所示，相邻的两个芯材单元片30的翻转方向相同并拼接在一起时，拼接位置的组合方式为a-b-a-b接触，即相邻两个芯材单元片30的拼接位置的其中一侧为功能层b，另一侧为结构层a。

需要说明的是，当相邻的两个芯材单元片30形状不同且翻转方向相反或任意相邻的两个芯材单元片30的翻转方向相同时，在沿流水线输出方向x将各个芯材单元片30层叠拼接成单元拼接体100之前，可沿宽边输出方向y移动调整芯材单元片30，使得任意相邻的两个芯材单元片30中，一者的几何形状高点102与另一者的几何形状低点103沿流水线输出方向x对齐。当任意相邻的两个芯材单元片30形状相同且翻转方向相反时，可无需沿宽边输出方向y调整移动芯材单元片30的位置即可使得任意相邻的两个芯材单元片30中的一者的几何形状高点102与另一者的几何形状低点103沿流水线输出方向x对齐。由此，可将各个芯材单元片30层叠拼接成单元拼接体100，单元拼接体100中形成有通过几何体104拼接而成的多个轴孔结构，多个轴孔结构包括沿宽边输出方向y依次间隔分布且沿垂直于流水平台的垂直方向z轴向贯通的多个拼接轴孔101。

更进一步地，本发明的生产方法还包括：

使得在拼接成型的单元拼接体100中，当平整片材10的片材表面的垂直方向为承受压缩载荷方向时，单元拼接体100的材料体积利用率不低于60％，优选的，材料体积利用率不低于80％；

和/或，在单元拼接体100的平行于平整片材10的片材表面的芯材横截面上，平面空隙率不低于40％，进一步的，平面空隙率不低于60％。

参见图3，对于上述的生产方法，本发明还提供了一种热塑性复合芯材的生产设备，包括：

热塑材料成型设备1，用于沿流水线输出方向x持续输出具有沿厚度方向层叠的功能层b和结构层a的几何片材10’或平整片材10；

芯材单元片加工成型组件，用于将平整片材10或几何片材10’沿流水线输出方向x拉伸取向并分割加工成多个芯材单元片30，其中至少部分的芯材单元片30的片材表面上加工出沿所述芯材单元片30的长度方向l重复呈现的非闭合的几何体104；

单元拼接体拼接组件，用于将各个芯材单元片30层叠拼接成单元拼接体100，其中单元拼接体100中形成有通过几何体104拼接而成的多个轴孔结构。

其中，如图2所示，热塑材料成型设备1包括上下布置的第一挤出模具1a和第二挤出模具1b以及位于第一挤出模具1a和第二挤出模具1b的成型挤出口的热复合成型段1c。上下布置的第一挤出模具1a和第二挤出模具1b分别挤出具有相容性的功能材料片材和结构材料片材，两种材料通过热复合成型段1c进行模内热复合成型，以直接成型为结构层a复合功能层b的双层片材热复合结构的平整片材10，从而可以直接在流水线上持续输出生产。

此外，芯材单元片加工成型组件可包括切割组件4和塑材表面加工设备2’，切割组件4用于沿宽边输出方向y切割表面已成型加工有几何体104的平整片材10或几何片材10’。如图3、4所示，塑材表面加工设备2’用于在几何片材10’的片材表面塑形加工出垂直于片材表面呈隆起状的几何凸起部或用于在平整片材10的至少部分的片材表面加工成型出垂直于片材表面呈隆起状的几何凸起部，几何体104形成有在片材表面呈非闭合状且沿流水线输出方向x轴向贯通的几何体第一内孔105。如图3、图4所示，塑材表面加工设备2’采用压辊组件，本发明不限于此，也可采用板式模具或者链式模具等加工组件。

进一步地，塑材表面加工设备2’的数量可设置为一个或多个，需保证平整片材10或几何片材10’包括输出速度大于任何前序输出速度的至少一个后序输出速度即可。

需要说明的是，为了防止平整片材10或几何片材10’在输出流水线上堆积和保证平整片材10或几何片材10’流畅输出，沿流水线输出方向x，平整片材10或几何片材10’的任一后序输出速度不小于前序输出速度，即任一塑材表面加工设备的输出速度不小于热塑材料成型设备1的初始输出速度v0。若塑材表面加工设备2’为多个并沿流水线输出方向x前后排布，则还需满足任一后置的塑材表面加工设备的输出速度不小于任一前置的塑材表面加工设备的输出速度且至少一个塑材表面加工设备的输出速度大于热塑材料成型设备1的初始输出速度v0。

此外，芯材单元片加工成型组件还可包括切割组件4，用于沿宽边输出方向y切割加工后的平整片材10或几何片材10’，以形成沿流水线输出方向x等宽地依次排列且沿宽边输出方向y呈带状延伸的多个芯材单元片30。

更进一步地，单元拼接体拼接组件可包括：

导向定位组件5，用于将各个芯材单元片30翻转预设角度，使得翻转后的芯材单元片30的长度方向l保持沿宽边输出方向y，芯材单元片30的宽度方向w与流水线输出方向x之间形成夹角a；

芯材单元片拼接组件6，用于沿流水线输出方向x归拢依次排布的各个芯材单元片30以层叠拼接成单元拼接体100。

其中，导向定位组件5包括沿流水线输出方向x依次布置且均沿宽边输出方向y延伸的正向转向器5a和反向转向器5b，一个芯材单元片30通过正向转向器5a正向翻转90°，即可立于输送带表面上，紧接着的另一个芯材单元片30通过反向转向器5b反向翻转90°，也可立于输送带表面上。或者，还可为其他的翻转角度或翻转方式，导向定位组件5也可为旋转机械手、机器人或平面连杆机构等。

在一些实具体实施例中，生产设备还可包括：

胶枪3，用于对几何体104的接触表面涂覆胶接层。可选择地，胶枪3可设置在切割组件4的上游端，或者，可设置在切割组件4的下游端。

或者，在一些实具体实施例中，生产设备还可包括：

熔融粘接组件，用于加热各个芯材单元片30以熔融粘接成单元拼接体100。

以上为根据本发明的热塑性复合芯材的生产方法和生产设备，以下将参见图5～图13，详细述及根据本发明的热塑性复合芯材的结构。

本发明的热塑性复合芯材为蜂窝形芯材，即为图7中所示单元拼接体100，该单元组合100由多个沿第一方向d1延伸且沿第二方向d2层叠拼接的芯材单元片30组成，至少部分的芯材单元片30的片材表面形成有沿芯材单元片30的长度方向l依次分布且呈非闭合状的几何体104。其中，如图5、图6所示，芯材单元片30为包括结构层a和功能层b的双层片材结构，结构层a为用于形成承受载荷的结构材料，而功能层b则为用于提供各种功能的功能材料。结构层a的结构材料和功能层b的功能材料之间具有相容性，即两者之间产生的物理和化学的相容性。如浸润性、反应性和互溶性等。由此，结构层a与功能b在模具内可不通过粘结剂直接热复合成型。在外型上，在本发明的单元拼接体100中形成有至少沿第一方向d1依次分布的多个由几何体104拼接形成轴孔结构，轴孔结构包括轴向沿第三方向d3的拼接轴孔101和围绕拼接轴孔101的周向封闭的轴孔周壁。

进一步地，功能层b可例如为阻燃层、抗紫外层、颜色层、阻热或传热层、透磁或阻磁层、抗菌层、或隔音层中的一种或者多种功能组合层。

其中，可选地，功能层b的材质包括阻燃填料填充聚合物、抗紫外填料填充聚合物、颜料填料填充聚合物、阻热或传热填料填充聚合物、透磁或阻磁填料填充聚合物、抗菌填料填充聚合物、隔音填料填充聚合物中的一种或者多种组合物。

此外，为了保证结构层a具有足够的力学强度，结构层a的片层厚度不小于0.1mm。

此外，可将任意形状的拼接轴孔101的外接圆的直径优选设置为不小于1mm；和/或，可将任意形状的拼接轴孔101的孔轴长与该拼接轴孔101的外接圆的直径之比优选设置为不大于200，以使得芯材获得更佳的重载轻质效果。

相对于传统钢和铝等金属成几何片材料，热塑性材料具有质量轻、绝缘性好、耐腐蚀、易粘结和焊接等优点。此外，塑料板材可回收利用，便于二次加工，节约资源。其中，结构层a的材质可包括热塑性聚合物、填料填充的热塑性聚合物、纤维增强的热塑性树脂基复合材料、塑性形变纸张和/或钢塑复合物。具体地，热塑性聚合物可为聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、热塑性聚酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚苯醚、热塑性弹性体、多元共聚热塑性塑料、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮和聚酰亚胺中的一种或其中多种的共混物。

此外，填料填充的热塑性聚合物中的填料可为蜡、滑石粉、炭黑、白炭黑、高岭土、碳酸钙、硬脂酸、硬脂酸钙、晶须、二氧化钛、氧化铁、颜料、阻燃剂和抗氧剂中的一种或其中多种的组合物。而纤维增强的热塑性树脂基复合材料中的纤维可为有机纤维、无机纤维、金属纤维、高分子纤维、植物纤维中的一种或多种。具体地，纤维增强的热塑性树脂基复合材料中的纤维可为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、钢丝纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维和麻纤维中的一种或者其中多种的组合物。

在本发明的热塑性复合芯材中，根据芯材单元片30组合拼接的方式不同，可分为两种组合拼接方式。如图11、图12所示的第一种组合拼接方式，任意相邻的两个芯材单元片30的翻转方向相反并依次层叠拼接，此时芯材单元片30之间的拼接位置的组合方式为a-a-b-b接触，即相邻两个芯材单元片的拼接位置的两侧均为功能层b或均为结构层a。换言之，当单元拼接体100至少包括沿第二方向d2依次层叠拼接的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片时，第二芯材单元片的结构层a与一侧的第一芯材单元片的结构层a抵接相连，第二芯材单元片的功能层b与另一侧的第三芯材单元片的功能层b抵接相连。

如图9、图10所示的第二种组合拼接方式，任意相邻的两个芯材单元片30的翻转方向相同并依次层叠拼接，此时芯材单元片30之间的拼接位置的组合方式为a-b-a-b接触，即相邻两个芯材单元片30的拼接位置的其中一侧为功能层b，另一侧为结构层a。换言之，当单元拼接体100至少包括沿第二方向d2依次层叠拼接的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片，第二芯材单元片的结构层a与一侧的第一芯材单元片的功能层b抵接相连，第二芯材单元片的功能层b与另一侧的第三芯材单元片的结构层a抵接相连。

在本发明的热塑性复合芯材中，参见图13，芯材单元片30可分为几何芯材单元片32和平整芯材单元片31，几何芯材单元片32表面加工有几何体104，平整芯材单元片31表面未加工有几何体104。其中，如图7、图8所示的单元拼接体100沿第二方向d2层叠拼接的几何片材30均相同，每个几何片材30的片材表面上形成的几何体104均相同且沿第一方向d1等间隔分布。但本发明不限于此，如图13所示，单元拼接体100沿第二方向d2层叠拼接的几何芯材单元片32可不相同。或者，几何芯材单元片32的片材表面上形成的几何体104可不相同。或者，几何芯材单元片32的片材表面上形成的几何体104沿第一方向非等间隔分布等。

其中，几何体104形成为从几何芯材单元片32的片材表面沿第二方向d2隆起的几何凸起部，几何凸起部内形成有轴向沿第三方向d3的几何体第一内孔105，该几何体第一内孔105沿第二方向d2呈单侧开口状，几何体第一内孔105的单侧开口端由邻接的芯材单元片30封闭以构成至少部分的拼接轴孔101，其几何体第一内孔中心线oo'沿第三方向d3。此外，相邻的几何体104之间还可形成非封闭的几何体第二内孔106，几何体第一内孔105与几何体第二内孔106的非封闭开口朝向相反。几何体104可为压制成型结构，几何体第一内孔105可为压制成型孔且可为正六边形孔、菱形孔、腰形孔或不规则的异型孔的半分孔等各种形状。

其中，单元拼接体100沿第二方向d2层叠拼接的任意相邻的两个芯材单元片30中至少包括一个几何芯材单元片32。任意相邻的两个芯材单元片30拼接形成的轴孔结构中，每个拼接轴孔101至少包括一个几何体第一内孔105或一个几何体第二内孔106，用于沿周向封闭至少一个几何体第一内孔105或一个几何体第二内孔106的内孔周向闭合结构可为平整壁或包括至少部分的几何体104。如图13所示，拼接轴孔101可包括一个几何体第一内孔105或一个几何体第二内孔106，也可包括多个几何体第一内孔105或多个几何体第二内孔106。内孔周向闭合结构可为平整芯材单元片31的平整片材壁也可为几何芯材单元片32的至少部分的几何体104。

在一些具体实施例中，在每个几何芯材单元片32中，相同的各个几何体104沿第一方向d1等步距分布，由各个几何形状高点102构成的几何形状高点面和由各个几何形状低点103构成的几何形状低点面形成为沿第一方向d1的平行平面。

可选地，如图7、图8所示，单元拼接体100为长方体形状，第一方向d1与第二方向d2垂直且分别为单元拼接体100的两个边长方向，第二方向d2垂直于芯材单元片30的片材表面，第三方向d3为单元拼接体100的厚度方向。此时，拼接轴孔101沿单元拼接体100的厚度方向贯通，即几何体第一内孔中心线oo'沿单元拼接体100的厚度方向。当然，本发明不限于此，各方向定位可以互换。此外，第一方向d1、第二方向d2与第三方向d3中彼此两两之间也不限于形成直角夹角，也可例如为锐角等。

具体地，单元拼接体100可至少包括沿第二方向d2依次层叠拼接的第一芯材单元片、第二芯材单元片和第三芯材单元片，第二芯材单元片32通过几何形状高点102与一侧的第一芯材单元片的几何形状低点103抵接相连，且通过几何形状低点103与另一侧的第三芯材单元片的几何形状高点102抵接相连，从而拼接成整个单元拼接体100。在相邻的芯材单元片中，抵接相连的几何形状高点102与几何形状低点103之间形成为热复合连接的弧面接触、尖端接触或平面接触。其中，如图9、图11所示，抵接相连的几何形状高点102与几何形状低点103之间形成为热复合连接的弧面接触；如图13所示，抵接相连的几何形状高点102与几何形状低点103之间形成为热复合连接的尖端接触或平面接触。

需要说明的是，从图13可见，不同形状结构的几何芯材单元片32进行组合拼接时，并非各个几何形状高点102和几何形状低点103均能对应相接，部分的几何形状高点102或几何形状低点103可呈悬空状。当各个芯材单元片30的形状结构都相同时，只需在沿第一方向d1的两端对齐的多个芯材单元片30的基础上，使得任意相邻的两个芯材单元片30围绕平行于第一方向d1的旋转轴线翻转相反的方向，由此，一个芯材单元片30上的几何体104与反向翻转后的另一芯材单元片30上的几何体104沿第二方向d2对齐并一体连接。其中，反向翻转后的芯材单元片30中，几何形状低点103和几何形状高点102的位置发生互换。当然，也可使得任意相邻的两个芯材单元片30围绕平行于第一方向d1的旋转轴线翻转且翻转方向相同，并沿第一方向d1移动调节以错开一定距离，由此，第一芯材单元片上的第一几何体与相邻的第二芯材单元片上的第二几何体沿第一方向d1依次交替布置并一体连接。基于上述两种排列翻转规则，可对应地形成整个单元拼接体100。

为获得符合要求的能够实现轻质重载的热塑性复合芯材，在图7所示的成型后的单元拼接体100中，可通过设置较多的作为减质孔的拼接轴孔101以实现轻量化。参照图7，在单元拼接体100的由第一方向d1与第二方向d2定义且与单元拼接体100实体相交的任一平面，即单元拼接体100的任一横截面平面中，平面空隙率应不低于40％，进一步的，平面空隙率应不低于60％。在单元拼接体100的上述横截面平面中，平面空隙率即各个拼接轴孔101的孔截面面积总和与横截面平面的总平面面积之比。

在轻量化的同时，为实现重载，除了材料选择，还应提高材料体积利用率，即沿载荷受力方向，能够承受载荷的有效部分与整体部分的质量比或体积比。通俗而言，沿载荷受力方向真实受力部分为承受载荷的有效部分，而垂直于载荷受力方向的材料部分或空洞部分则为承受载荷的无效部分，无效部分的材料体积利用率为0。作为示例，在图7中，当第三方向d3为承受压缩载荷方向时，单元拼接体100的材料体积利用率不低于60％，优选的，材料体积利用率不低于80％。其中，关于材料体积利用率的定义，当材料承受压缩载荷时，沿着载荷方向具备实体材料且实体材料累计高度大于等于95％该方向材料的最高高度部分的材料体积与材料总体积之比即为材料体积利用率。

综上可见，本发明提供了一种热塑性复合芯材及其生产方法和生产设备，本发明的热塑性复合芯材可适应性地将不同的功能材料与结构材料热复合成型为蜂窝形芯材，由此不仅保持了原有结构材料的轻质重载的优点，还能通过与功能性材料结合获得单一组成材料所不能达到的综合性能，如阻燃性能、屏蔽性能、吸音性能等。此外，本发明的热塑性复合芯材的蜂窝壁为结构层复合功能层的双层片材热复合结构，功能层连续分布、功能效果显著，且采用的功能层和结构层相容性好，结合强度高，可应用在对轻质高强要求较高的各个领域中，同时还可针对各个不同领域的特殊要求来增加阻燃功能、防腐功能、隔音功能等，满足了实际应用中的多样化的需求。

与此同时，本发明的生产方法和生产设备解决了传统蜂窝芯材的制造成本高、不可添加功能填料及增强填料、物料浪费的问题，实现了蜂窝芯低成本、可填充等优点以及节约型的生产制造，有效拓展了热塑性复合材料的应用领域。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。