Z向增强防护型复合材料夹芯结构的制作方法

本实用新型涉及防护型纤维复合材料技术领域，具体涉及一种z向增强防护型复合材料夹芯结构。

背景技术：

超高分子量聚乙烯纤维是继碳纤维、芳纶纤维之后的第三代高强度、高模的高性能纤维，它具有较小的密度和高度取向的分子结构，是目前投入使用的防弹吸能性能最为优异的纤维材料，但此类板材在拦截子弹后的形变偏大，会破坏弹着点周边结构。

另外，由于高分子量聚乙烯纤维板为非极性材料，与树脂界面粘接性能差。现有提高复合芯材层间结合强度的方法是在芯材上开设纵、横交叉的连接槽，以增大树脂与芯材的接触面积，增强树脂在芯材上的附着力，从而提高芯材间粘接强度，或者是采用纤维销钉，以实现对复合芯材的z向增强(即增强上下面层和中心层的厚度方向的力学强度)，但采用此方法制备大厚度防护型复合材料夹芯结构层间性能仍然欠佳。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于针对上述现有防护型复合材料板材存在的变形大、层间粘接强度不足的问题，提供一种z向增强防护型复合材料夹芯结构，它引入具有优异的抗疲劳性能和断裂伸长率的pvc高性能闭孔芯材，利用其压缩吸能特性吸收高强度的动态冲击，使破片最终停留在高强聚乙烯纤维中；并能实现整体芯材的z向增强，以提高夹芯结构整体强度。

本实用新型为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种z向增强防护型复合材料夹芯结构，包括上表面玻璃钢蒙皮、下表面玻璃钢蒙皮、夹芯结构和纤维纱；所述夹芯结构包括依次设置的面层玻璃钢蒙皮、超高分子量聚乙烯板、pvc泡沫层和底层玻璃钢蒙皮，各层结构之间通过胶粘剂粘接成一体；所述夹芯结构沿厚度方向打穿纱通孔，所述纤维纱按一定间距连续穿过所述穿纱通孔，从而反复贯穿面层玻璃钢蒙皮、超高分子量聚乙烯板、pvc泡沫层和底层玻璃钢蒙皮，形成夹芯穿纱结构；所述夹芯穿纱结构、上表面玻璃钢蒙皮、下表面玻璃钢蒙皮整体采用真空辅助成型工艺成型，穿孔纤维纱与树脂结合形成z向增强玻璃钢，未穿纤维纱的通孔形成z向增强树脂桩。

上述方案中，所述底层玻璃钢蒙皮与面层玻璃钢蒙皮均采用真空一体化成型工艺制备，玻璃纤维采用船用高强玻纤布，组织织物为四枚缎纹结构，玻璃钢用树脂材料采用耐海洋环境的乙烯基树脂。

上述方案中，所述超高分子量聚乙烯板密度为0.97g/cm³，厚度为10-40mm。

上述方案中，所述pvc泡沫层的泡沫材料采用密度为50-130kg/m³的高强pvc泡沫，厚度为10-40mm。

上述方案中，所述pvc泡沫层的上下表面均设有纵横凹槽，纵横凹槽交接处设有2mm通孔。

上述方案中，所述胶粘剂采用聚烯烃胶。

上述方案中，所述纤维纱采用玻璃纤维直接纱，直接纱规格为1200tex，2400tex，4800tex，9600tex中的一种。

上述z向增强防护型复合材料夹芯结构的制备方法，包括以下步骤：

s1、制备夹芯结构：首先采用真空一体成型工艺制备底层玻璃钢蒙皮和面层玻璃钢蒙皮，然后按照底层玻璃钢蒙皮、pvc泡沫层、超高分子量聚乙烯板、面层玻璃钢蒙皮的顺序，用胶粘剂将四者之间进行粘接，并施加均匀压力，待胶粘剂固化完全，形成胶粘剂层；

s2、钻孔：在制得的夹芯结构面板上画好定位孔线，按照定位孔线钻通孔；

s3、夹芯结构穿纱：在已钻好孔的夹芯结构上按一定间距穿连续的纤维纱，制得夹芯穿纱结构；

s4、z向增强防护型复合材料夹芯结构真空成型，具体包括以下步骤：

(1)模具准备：清理模具，并涂覆脱模剂；

(2)纤维布铺覆：第一步，按照厚度要求在模具上铺覆数量为3-10层的高强玻璃纤维布，铺覆时将搭接缝错开，多余纤维裁剪掉；第二步，将制得的夹芯穿纱结构放置于已铺覆的纤维布层上；第三步，在夹芯穿纱结构上铺覆数量为3-10层的玻璃纤维布，铺覆时将搭接缝错开，多余纤维裁剪掉；

(3)铺覆真空辅材和检漏：在整个预成型体上铺设真空辅材，对真空体系真空度检验，要求真空泵稳定工作后压力区间为0.095～0.1mpa，关闭真空泵保压5-30min后，压力降不大于0.01mpa；

(4)胶液配制和注胶：按照凝胶实验结果确定用胶量，夏天高温作业时，将树脂冷冻处理，混合后树脂的温度控制在12-15℃，树脂混合均匀，开动真空泵，进行注胶；

(5)固化成型和脱模：树脂灌注完毕后，室温下固化24h，使用硬度计检验固化的树脂表面硬度，至少有2个点位置巴氏硬度达到35以上进行脱模；

(6)脱模后进行打磨处理，即制得z向增强的防护型复合材料夹芯结构30，其中夹芯穿纱结构上下表面铺设的高强玻璃纤维布分别形成上表面玻璃钢蒙皮和下表面玻璃钢蒙皮，穿孔直接纱与树脂结合形成z向增强玻璃钢，未穿直接纱的通孔，形成z向增强树脂桩。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型的夹芯结构利用超高分子量聚乙烯高强度、高模量、密度小以及高性能pvc闭孔芯材高比强度、优异的抗疲劳性能、能够吸收高强度的动态冲击等特点，将玻璃钢蒙皮、超高分子量聚乙烯纤维板和高性能pvc闭孔芯材胶接结合，利用复合材料高比强度和结构可设计性特点，实现结构的轻质高强。利用高强聚乙烯纤维拉伸变形与pvc泡沫大范围压缩变形共同消耗破片动能，高速破片最终停留在高强聚乙烯纤维中，从而实现防护功能。

2、在夹芯结构上按一定间距连续穿刺玻璃纤维直接纱，并通过真空成型工艺将夹芯穿纱结构与上表面玻璃钢蒙皮、下表面玻璃钢蒙皮一体成型，所穿的高强纱与树脂复合形成环向玻璃钢增强，同时间隔的通孔完成树脂流道功能后，形成树脂桩对夹芯结构的z向增强，从而实现整体芯材的z向增强。用此方法制作大厚度防护型复合材料，能提高夹芯结构的整体强度。

3.本实用新型在满足防护性能的指标外，具有质量轻、弯曲刚度与强度大、抗失稳能力强、耐疲劳、吸声、隔声和隔热等优点，在重量最轻情况下，提供一种极为坚固的防护型结构，尤其适合制备舰船防护型复合材料上层建筑。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型z向增强防护型复合材料夹芯结构的整体结构图；

图2是图1所示z向增强防护型复合材料夹芯结构的夹芯结构示意图；

图3是图2所示夹芯结构穿纱的俯视图；

图4是图3所示夹芯结构穿纱a-a方向剖视图。

图中：10、夹芯结构；11、面层玻璃钢蒙皮；12、超高分子量聚乙烯板；13、pvc泡沫层；14、底层玻璃钢蒙皮；15、胶粘剂层；16、通孔；20、纤维纱；31、上表面玻璃钢蒙皮；32、下表面玻璃钢蒙皮；33、z向增强玻璃钢；34、z向增强树脂桩。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，为本实用新型提供的一种z向增强防护型复合材料夹芯结构，包括上表面玻璃钢蒙皮31、下表面玻璃钢蒙皮32、夹芯结构10和纤维纱20。

如图2所示，夹芯结构10包括依次设置的面层玻璃钢蒙皮11、超高分子量聚乙烯板12、pvc泡沫层13和底层玻璃钢蒙皮14，各层结构之间通过胶粘剂粘接成一体。

如图3-4所示，夹芯结构10沿厚度方向打穿纱通孔16，纤维纱20按一定间距连续穿过穿纱通孔16，从而反复贯穿面层玻璃钢蒙皮11、超高分子量聚乙烯板12、pvc泡沫层13和底层玻璃钢蒙皮14，实现纤维纱20的穿纱工序，形成夹芯穿纱结构。夹芯穿纱结构与上表面玻璃钢蒙皮31和下表面玻璃钢蒙皮32采用真空成型工艺成型，穿孔纤维纱20与树脂结合形成z向增强玻璃钢33，未穿纤维纱20的通孔16形成z向增强树脂桩34。

本实用新型z向增强防护型复合材料夹芯结构可以用于制备舰船防护型复合材料上层建筑。

进一步优化，面层玻璃钢蒙皮11与底层玻璃钢蒙皮14均采用真空一体化成型工艺制备，玻璃纤维采用船用高强玻纤布，组织织物为四枚缎纹结构，玻璃钢用树脂材料采用耐海洋环境的乙烯基树脂。

进一步优化，超高分子量聚乙烯板12采用的超高分子量聚乙烯密度为0.97g/cm³。超高分子量聚乙烯板12厚度为10-40mm，性能满足环境安全性能要求。

进一步优化，pvc泡沫层13的泡沫材料采用密度为80-130kg/m³的高强pvc泡沫。pvc泡沫层13的厚度为10-40mm。

进一步优化，pvc泡沫层13的上下表面均设有纵横凹槽，凹槽间距为20mm，凹槽宽度为2mm，用作真空导流成型过程中树脂的流道，同时固化的树脂以增加层间剪切强度，纵横凹槽交叉处设有直径2mm通孔。

进一步优化，胶粘剂采用聚烯烃胶。

进一步优化，纤维纱20采用玻璃纤维直接纱。根据孔径大小，可采用1200tex，2400tex，4800tex，9600tex，但不限于此。

本实用新型z向增强防护型复合材料夹芯结构的制备方法，包括以下步骤：

制作玻璃钢蒙皮：采用真空一体成型工艺制备1mm厚度的面层玻璃钢蒙皮11和底层玻璃钢蒙皮14。

制作夹芯结构10：在1mm底层玻璃钢蒙皮14和20mmpvc泡沫层13待粘接面上均匀涂覆胶粘剂，进行粘接；在20mmpvc泡沫层13与20mm超高分子量聚乙烯板12待粘接面均匀涂覆胶粘剂，进行粘接；在20mm超高分子量聚乙烯板12与1mm面层玻璃钢蒙皮11待粘接面均匀涂覆胶粘剂，进行粘接；粘接完成后，使用重物加压，压力控制50-200kg/㎡，待胶粘剂固化完全，形成胶粘剂层15，胶粘剂层15厚度控制在0.1-0.2mm。

机械钻孔：在制得的夹芯结构10面板上画好定位孔线，采用机械钻孔的方法用钻头开通孔16，孔径3-10mm，孔间距50-600mm，钻孔方向从超高分子量聚乙烯板12至pvc泡沫层13，以利用钻头退出过程将钻孔产生的聚乙烯料顺利带出。

夹芯结构10穿直接纱：用细铜丝将玻璃纤维直接纱端部进行捆扎，细铜丝带着玻璃纤维直接纱按照一定间距依次穿过通孔16，制得夹芯穿纱结构。

真空成型，具体包括以下步骤：

(1)模具准备：清理模具，并涂覆脱模剂。

(2)纤维布铺覆：第一步，按照工艺厚度要求在模具上铺覆3-10层玻璃纤维布，铺覆时将搭接缝错开，多余纤维裁剪掉；第二步，将制得的夹芯穿纱结构放置于已铺覆的纤维布层上；第三步，在夹芯穿纱结构上按照工艺厚度要求铺覆3-10层玻璃纤维布，铺覆时将搭接缝错开，多余纤维裁剪掉。

(3)铺覆真空辅材和检漏：在整个预成型体上铺设真空辅材，对真空体系真空度检验。要求真空泵稳定工作后压力区间为0.095～0.1mpa，关闭真空泵保压5-30min后压力压力降不大于0.01mpa。

(4)胶液配制和注胶：按照凝胶实验结果确定用胶量，夏天高温作业时，将树脂冷冻处理，混合后树脂的温度控制在12-15℃，树脂混合均匀，开动真空泵，进行注胶。

(5)固化成型和脱模：树脂灌注完毕后，室温下固化24h，使用硬度计检验固化的树脂表面硬度，至少有2个点位置巴氏硬度达到35以上进行脱模。

(6)脱模后进行打磨处理，即制得z向增强的防护型复合材料夹芯结构，其中夹芯穿纱结构上下表面铺设的高强玻璃纤维布分别形成上表面玻璃钢蒙皮31和下表面玻璃钢蒙皮32，穿孔直接纱与树脂结合形成z向增强玻璃钢33，未穿直接纱的通孔16形成z向增强树脂桩34。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。