本发明属于隔音降噪材料技术领域，具体涉及一种碳纤维复合材料降噪板。
背景技术
从我国高速铁路革新发展开始，高铁在提速的同时降低噪声问题便一直是设计者和材料研究者极力关注而又难以解决的问题，其主要难点就是高铁舱体和高铁舱门等重要部位的噪声控制和整体刚性强度等力学性能的同时兼顾，这既是乘坐舒适性的要求更是安全性保证的必要因素。如何保障在综合力学刚性不变或者提高前提下的最大限度的降低高铁噪音，成为一个极富挑战性的难题，也是高铁领域的一项关键技术。
随着先进复合材料在高速铁路领域的应用发展，尤其是以树脂基复合材料应用最为广泛，其中碳纤维复合材料的突出优点是高比强度、高比模量、结构设计性良好、抗疲劳性能优异、耐环境腐蚀性能高等，同时多孔蜂窝结构的合理设计又可以在力学性能稳定的情况下保证较好的减震抗噪特性的有效提升，因此一种碳纤维复合材料降噪功能结构的合理设计，成为保证碳纤维复合材料高铁新型部件发展的重要工作。
技术实现要素：
针对上述现有技术的不足，发明人经长期的技术与实践探索，提供一种由碳纤维复合材料硬质板材与短切碳纤维增强多孔橡胶板叠层组合构成的碳纤维复合材料降噪板，该降噪板包括上下两侧表面的碳纤维复合材料板壳体以及内部多孔橡胶蜂窝结构，其中两侧的碳纤维复合材料壳体板采用高强度碳纤维或高模量碳纤维混杂特种纤维增强热固性树脂基体复合材料制备，中间夹层的多孔橡胶蜂窝复合材料结构，采用短切碳纤维增强发泡橡胶制备。该降噪板主要应用于高铁部件的舱体或者壳体材料，具体可用于高铁舱门、高铁舱体连接处壳体的加工制备，具有密度低、刚性大、强度高且具有较好的吸能减震作用。
本发明的目的之一在于提供一种碳纤维复合材料降噪板。
本发明的目的之二在于提供上述碳纤维复合材料降噪板的应用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种碳纤维复合材料降噪板，所述降噪板由三层结构贴合而成，包括上下两侧表面的碳纤维复合材料板壳体层以及内部多孔橡胶蜂窝结构层。
其中，上下两侧表面的碳纤维复合材料板壳体层采用高强度碳纤维或高模量碳纤维混杂特种纤维增强热固性树脂基体复合材料构成；内部多孔橡胶蜂窝结构层由短切碳纤维增强发泡橡胶构成。上下两侧表面的碳纤维复合材料板壳体层的厚度为10-25mm，所述内部多孔橡胶蜂窝结构层为10-50mm；
进一步的，所述高强度碳纤维包括但不限于t300、t700、t800、t1000中的任一种或多种；所述高模量碳纤维包括但不限于m40、m40j、m60、m60j中的任意一种或多种；所述特种纤维为芳纶纤维、uhmwpe纤维中的任意一种；其中高强度碳纤维或高模量碳纤维与特种纤维混杂比例为2～10：1；
进一步的，所述热固性树脂基体材料为多孔热固性树脂基体，具体可选用具有泡沫结构的热固性树脂基体，其中泡沫孔隙占树脂基体总体积比例的20-40％，热固性树脂可选用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、呋喃树脂、有机硅树脂、聚丁二烯树脂中的任意一种，所用的发泡材料为空心玻璃微球，表面壳体板的树脂含量为整个碳纤维复合材料板壳体层的30-50％范围内；
进一步的，上下两侧表面的碳纤维复合材料板壳体层中的纤维织物结构采用二维织物叠层结构或者三维编织结构；所述二维织物叠层结构为平纹、斜纹、缎纹中的任意一种或多种的组合结构；所述三维编织结构为三维四向、三维五向、三维六向或三维七向中的任意一种；
进一步的，所述内部多孔橡胶蜂窝结构层中发泡橡胶含量为整个多孔橡胶蜂窝结构层的50～80％；
短切碳纤维选用t300、t700、t800、t1000中的任意一种，短切碳纤维长度控制在2-5mm范围内。
进一步的，本发明提供一种多孔橡胶蜂窝结构层材料的制备方法，所述方法包括：
(1)按重量份计，橡胶生胶50-100份、短切碳纤维10-25份、硫化剂0.5-2份；
(2)将上述原料放入捏合机内混炼2-8小时后冷却出料，再加入发泡剂10-30份，放入开炼机内反复混炼2-6遍后冷却，在室温环境下硫化发泡，即得多孔橡胶蜂窝结构层材料。
其中，
步骤(1)中橡胶生胶可选用乙烯基硅橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶中的任意一种，分子量控制在50-100万范围内；
步骤(1)中短切碳纤维选用t300、t700、t800、t1000中的任意一种，短切碳纤维长度控制在2-5mm范围内；
步骤(1)中硫化剂包括但不限于过氧化苯甲酰、2，4-二氯过氧化苯甲酰、过苯甲酸叔丁酯、过氧化二异丙苯中的任意一种；
步骤(2)中发泡剂包括但不限于碳酸氢钠、碳酸氢铵、偶氮二甲酰胺、二苯磺酰肼醚中的任意一种。
进一步的，上表面碳纤维复合材料板壳体层、内部多孔橡胶蜂窝结构层、下表面碳纤维复合材料板壳体层依次通过粘结剂粘结。
更进一步的，所述粘结剂选用热固性树脂，包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、呋喃树脂中的任意一种。
本发明的第二个方面，提供上述碳纤维复合材料降噪板在隔音降噪领域中的应用，所述应用进一步优选为上述碳纤维复合材料在制备高铁部件舱体或壳体材料中的应用。
本发明的有益效果：
本发明采用多种复合材料结构组合构成的一种碳纤维复合材料降噪板，其中采用多种纤维混杂组合同时配合相应特定结构，有效发挥了多种纤维的综合特性；该降噪板包括上下两侧表面的碳纤维复合材料板壳体以及内部多孔橡胶蜂窝结构，孔隙率较大，能够吸收噪声，同时兼具良好的力学性能；主要应用于高铁部件的舱体或者壳体材料，具体可用于高铁舱门、高铁舱体连接处壳体的加工制备，具有密度低、刚性大、强度高且具有较好的吸能减震及良好的保温作用。
本发明工艺简单易操作，原材料较为廉价易得，生产成本低廉，生产流程短，适合工业化大批量生产，绿色环保，符合我国的绿色发展趋势，具有广阔的应用前景和实际应用之价值。
附图说明
图1为本发明碳纤维复合材料降噪板的结构示意图，其包括：1-上表面碳纤维复合材料板壳体层，2-内部多孔橡胶蜂窝结构层，3-下表面碳纤维复合材料板壳体层三个部分。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。另外，人们应当注意，这里所用的空间方位术语“上”、“下”等除非另有指明，否则仅是为了便于描述，并不限于任何一个位置或者空间方位。
如前所述，目前如何保障在综合力学刚性不变或者提高前提下的最大限度的降低高铁噪音，成为一个极富挑战性的难题，也是高铁领域的一项关键技术。
有鉴于此，本发明的一个具体实施方式中，提供一种碳纤维复合材料降噪板，所述降噪板由三层结构贴合而成，包括上下两侧表面的碳纤维复合材料板壳体层以及内部多孔橡胶蜂窝结构层。
本发明的又一具体实施方式中，上下两侧表面的碳纤维复合材料板壳体层采用高强度碳纤维或高模量碳纤维混杂特种纤维增强热固性树脂基体复合材料构成；内部多孔橡胶蜂窝结构层由短切碳纤维增强发泡橡胶构成。上下两侧表面的碳纤维复合材料板壳体层的厚度为10-25mm，所述内部多孔橡胶蜂窝结构层为10-50mm；
本发明的又一具体实施方式中，所述高强度碳纤维包括但不限于t300、t700、t800、t1000中的任一种或多种；所述高模量碳纤维包括但不限于m40、m40j、m60、m60j中的任意一种或多种；所述特种纤维为芳纶纤维、uhmwpe纤维中的任意一种；其中高强度碳纤维或高模量碳纤维与特种纤维混杂比例为2～10：1；
本发明的又一具体实施方式中，所述热固性树脂基体材料为多孔热固性树脂基体，具体可选用具有泡沫结构的热固性树脂基体，其中泡沫孔隙占树脂基体总体积比例的20-40％，热固性树脂可选用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、呋喃树脂、有机硅树脂、聚丁二烯树脂中的任意一种，所用的发泡材料为空心玻璃微球，表面壳体板的树脂含量为整个碳纤维复合材料板壳体层的30-50％范围内；
本发明的又一具体实施方式中，上下两侧表面的碳纤维复合材料板壳体层中的纤维织物结构采用二维织物叠层结构或者三维编织结构；所述二维织物叠层结构为平纹、斜纹、缎纹中的任意一种或多种的组合结构；所述三维编织结构为三维四向、三维五向、三维六向或三维七向中的任意一种；
本发明的又一具体实施方式中，所述内部多孔橡胶蜂窝结构层中发泡橡胶含量为整个多孔橡胶蜂窝结构层的50～80％；
短切碳纤维选用t300、t700、t800、t1000中的任意一种，短切碳纤维长度控制在2-5mm范围内。
本发明的又一具体实施方式中，本发明提供一种多孔橡胶蜂窝结构层材料的制备方法，所述方法包括：
(1)按重量份计，橡胶生胶50-100份、短切碳纤维10-25份、硫化剂0.5-2份；
(2)将上述原料放入捏合机内混炼2-8小时后冷却出料，再加入发泡剂10-30份，放入开炼机内反复混炼2-6遍后冷却，在室温环境下硫化发泡，即得多孔橡胶蜂窝结构层材料。
本发明的又一具体实施方式中，步骤(1)中橡胶生胶可选用乙烯基硅橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶中的任意一种，分子量控制在50-100万范围内；
本发明的又一具体实施方式中，步骤(1)中短切碳纤维选用t300、t700、t800、t1000中的任意一种，短切碳纤维长度控制在2-5mm范围内；
本发明的又一具体实施方式中，步骤(1)中硫化剂包括但不限于过氧化苯甲酰、2，4-二氯过氧化苯甲酰、过苯甲酸叔丁酯、过氧化二异丙苯中的任意一种；
本发明的又一具体实施方式中，步骤(2)中发泡剂包括但不限于碳酸氢钠、碳酸氢铵、偶氮二甲酰胺、二苯磺酰肼醚中的任意一种。
本发明的又一具体实施方式中，上表面碳纤维复合材料板壳体层、内部多孔橡胶蜂窝结构层、下表面碳纤维复合材料板壳体层依次通过粘结剂粘结。
本发明的又一具体实施方式中，所述粘结剂选用热固性树脂，包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、呋喃树脂中的任意一种。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述碳纤维复合材料降噪板在隔音降噪领域中的应用，所述应用进一步优选为上述碳纤维复合材料在制备高铁部件舱体或壳体材料中的应用。
结合具体实例对本发明作进一步的说明，以下实例仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。如果实施例中未注明的实验具体条件，通常按照常规条件，或按照销售公司所推荐的条件；在本发明没有特别限定，均可通过商业途径购买得到。
实施例1
本实施例中的降噪板由外到内由表面碳纤维复合材料壳体板、中间夹层的多孔橡胶蜂窝板、碳纤维复合材料壳体板三个部分组成。首先制备表面碳纤维复合材料壳体板，选用t300为主体纤维，芳纶纤维为辅助纤维，主体碳纤维与辅助纤维之间的比例在2:1，选用平纹二维织物编织结构。将上述织物浸渍混入体积比例40％的空心玻璃微球的环氧树脂，最终壳体板复合材料的树脂含量为50％。之后制备中间夹层的多孔橡胶蜂窝板，取乙烯基硅橡胶50份、短切长度2mm的t300碳纤维10份、过氧化苯甲酰0.5份，放入捏合机内混炼2小时后冷却出料，加入30份碳酸氢钠，放入开炼机内反复混炼6遍后冷却，在室温环境下硫化发泡，得到中间夹层的多孔橡胶蜂窝板材。最后将中间夹层的多孔橡胶蜂窝板和表面碳纤维复合材料壳体板通过环氧树脂进行粘接组成整体叠合结构。
实施例2
本实施例中的降噪板由外到内由表面碳纤维复合材料壳体板、中间夹层的多孔橡胶蜂窝板、碳纤维复合材料壳体板三个部分组成。首先制备表面碳纤维复合材料壳体板，选用t800为主体纤维，uhmwpe纤维为辅助纤维，主体碳纤维与辅助纤维之间的比例在2:1，选用三维四向编织结构。将上述织物浸渍混入体积比例40％的空心玻璃微球的酚醛树脂，最终壳体板复合材料的树脂含量为50％。之后制备中间夹层的多孔橡胶蜂窝板，取顺丁橡胶100份、短切长度5mm的t1000碳纤维25份、2，4-二氯过氧化苯甲酰2份，放入捏合机内混炼8小时后冷却出料，加入30份碳酸氢铵，放入开炼机内反复混炼3遍后冷却，在室温环境下硫化发泡，得到中间夹层的多孔橡胶蜂窝板材。最后将中间夹层的多孔橡胶蜂窝板和表面碳纤维复合材料壳体板通过呋喃树脂进行粘接组成整体叠合结构。
实施例3
本实施例中的降噪板由外到内由表面碳纤维复合材料壳体板、中间夹层的多孔橡胶蜂窝板、碳纤维复合材料壳体板三个部分组成。首先制备表面碳纤维复合材料壳体板，选用m40为主体纤维，uhmwpe纤维为辅助纤维，主体碳纤维与辅助纤维之间的比例在10:1，选用缎纹二维织物编织结构。将上述织物浸渍混入体积比例40％的空心玻璃微球的有机硅树脂，最终壳体板复合材料的树脂含量为30％。之后制备中间夹层的多孔橡胶蜂窝板，取丁苯橡胶60份、短切长度3mm的t1000碳纤维20份、过苯甲酸叔丁酯1份，放入捏合机内混炼3小时后冷却出料，加入22份偶氮二甲酰胺，放入开炼机内反复混炼5遍后冷却，在室温环境下硫化发泡，得到中间夹层的多孔橡胶蜂窝板材。最后将中间夹层的多孔橡胶蜂窝板和表面碳纤维复合材料壳体板通过不饱和聚酯树脂进行粘接组成整体叠合结构。
实施例4
本实施例中的降噪板由外到内由表面碳纤维复合材料壳体板、中间夹层的多孔橡胶蜂窝板、碳纤维复合材料壳体板三个部分组成。首先制备表面碳纤维复合材料壳体板，选用m60j为主体纤维，芳纶纤维为辅助纤维，主体碳纤维与辅助纤维之间的比例在5:1，选用三维七向编织结构。将上述织物浸渍混入体积比例35％的空心玻璃微球的聚丁二烯树脂，最终壳体板复合材料的树脂含量为45％。之后制备中间夹层的多孔橡胶蜂窝板，取顺丁橡胶75份、短切长度4mm的t1000碳纤维22份、过氧化二异丙苯1.5份，放入捏合机内混炼4小时后冷却出料，加入15份二苯磺酰肼醚，放入开炼机内反复混炼4遍后冷却，在室温环境下硫化发泡，得到中间夹层的多孔橡胶蜂窝板材。最后将中间夹层的多孔橡胶蜂窝板和表面碳纤维复合材料壳体板通过不饱和聚酯树脂进行粘接组成整体叠合结构。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。