[发明专利]一种低密度高性能复合材料夹层结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种低密度高性能复合材料夹层结构及其制备方法,具体地，涉及 一种低密度、超轻质、强度、刚度及功能性可设计的复合材料夹层结构的制备方法。

背景技术

随着深空探测技术的发展，航天器运行环境温度范围越来越大，对平台结构减重的 要求越来越高，其中复合材料件在空间环境中型面精度的稳定性和可靠性以及结构功能 一体化是发展的重要方向。

复合材料蜂窝夹层材料以金属板或复合材料板为蒙皮，现主要以金属铝蜂窝、芳纶 蜂窝为芯层结构。主要用于蜂窝夹层结构板、天线反射面、透波雷达罩等。

其中蜂窝夹层结构板要求高导热、型面精度稳定；天线反射面一般为双曲面，要求 型面精度高，在空间环境中尺寸稳定性好。

铝蜂窝导热性能好，但热膨胀系数大，与复合材料蒙皮板的热膨胀系数差异大，二 者匹配容易造成蜂窝结构内应力，在高精度蜂窝夹层结构中热变形量大，型面精度变化 大，不能满足高精度高稳定的精度要求。芳纶蜂窝芯材热膨胀系数小，但导热性能差， 且空间环境中真空放气率高，不能满足空间环境应用需求。两种芯材均为成型或拉伸成 板材后加工成需要的形状，加工难度大，可达到的型面精度不高。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种低密度高性能复合材料夹层结构及 其制备方法，将纤维增强树脂基复合材料杆件通过胶接或物理固定的方式拼接成夹芯结 构，使芯材在力学性能、湿热性能具有可设计性，且具有复杂型面的可成型性。实现高 精度、高稳定、复杂结构蜂窝夹层结构的制造。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种低密度高性能复合材料夹层结构，其特征在于，包括夹芯结构、 设置于夹芯结构上底面的上蒙皮层和设置于夹芯结构下底面的下蒙皮层；所述夹芯结构 由多个杆件并列排布而成；所述杆件由纤维增强树脂基复合材料构成。

优选地，所述杆件截面为圆形截面、多边形截面、异形截面中的一种或多种，杆件 内部为中空结构。

优选地，所述纤维增强树脂基复合材料的纤维包括碳纤维、玻璃纤维、石英纤维、 kevlar纤维、PBO中的一种或多种；树脂包括热固性树脂、热塑性树脂中的一种或多种。

优选地，所述树脂包括环氧树脂、氰酸酯树脂、PEEK、PSF中的一种或多种。

优选的，所述纤维增强树脂基复合材料为碳纤维增强环氧树脂基复合材料。碳纤维 增强环氧树脂基复合材料制成的杆件粘结成低密度高性能复合材料夹芯结构，其力学性 能、湿热膨胀性能可设计，易于成型，可形成各种复杂曲面形状，满足各种机构高性能 夹层结构的需求。

优选地，所述杆件高度为0.1mm～1000mm；杆件壁厚为0.01mm～4mm；杆件为圆形 截面时直径1.0mm～150mm，杆件为多边形截面时边长为0.5mm～20mm。杆件高度由产品 厚度决定，杆件壁厚、直径(边长)根据制品密度、抗弯强度和型面负责程度计算确定。

优选地，所述杆件和杆件之间通过胶接或物理方法中的一种或多种方式连接，杆件 与杆件之间的间隙或杆件内部还可填充轻质泡沫材料或烧蚀材料。在保证夹层结构低密 度的前提下提高其强度，固定杆件间的相互位置。

优选地，所述夹芯结构上底面与上蒙皮层、下底面与下蒙皮层均各自通过胶膜或树 脂固化粘结。

优选地，所述夹芯结构的密度为5kg/m³～180kg/m³，热膨胀系数为0～10^-5，湿膨胀 系数为0～10^-3，强度、模量可根据不同材料的铺层方式进行设计。

本发明还提供了一种低密度高性能复合材料夹层结构的制备方法，包括以下步骤：

A、根据复合材料设计理论设计力学、湿热及功能性能满足需求的树脂基和增强材 料以及铺层方式，杆件芯层的铺层方式确定了芯层的力学性能(如弯曲、剪切)、热膨 胀性能及导热性能；

B、通过缠绕铺层或卷制铺层、再固化成型纤维增强树脂基复合材料，形成长杆件；

C、根据型面需求加工成需要的杆件长度后，将杆件沿竖直方向放置在下蒙皮上， 紧密排列，再盖上上蒙皮，通过胶膜将上下蒙皮与杆件胶接，常温固化；或

将下蒙皮预浸料先铺放在模具上，再将加工好的杆件沿竖直方向紧密排列在下蒙皮 上，再在杆件上底面铺放上蒙皮预浸料，真空袋固化；