[实用新型]一种轻质高强三维编织纤维增强泡沫夹芯板及其制作模具

说明书

技术领域

本实用新型涉及工程材料技术领域，尤其涉及一种轻质高强三维编织纤维增强泡沫夹芯板及其制作模具。

背景技术

夹芯结构是一种层合复合材料的特殊形式，一般由上面板、芯材、下面板以及芯材和上下面板的粘结层所组成。其上、下面板主要承受弯矩引起的面内拉压应力和面内剪应力，而芯材主要承载有横向力引起的剪应力并支持面板不失去稳定性，选择轻质高强材料作为夹芯，可以大幅度地减轻结构重量。因夹芯结构具有比强度高和比刚度大等优异的力学性能，现在已广泛应用在航空航天、航舶、游艇、轨道交通、风机叶片、建筑节能灯工业领域。按其夹芯材料的不同，夹芯层材料主要分为两类：一类是蜂窝夹芯，一类是泡沫夹芯。蜂窝夹芯材料的优点是结构性能优异，剪切强度高，材料成本低，缺点是与上下面板的粘结面积小，容易出现分层破坏，蜂窝结构呈现各向异性，加工制造复杂，加工成本高，开孔结构易吸水后期维护成本高。泡沫夹芯材料的优点是工艺性好，易加工成型，尺寸稳定，可以实现和上下面板的一次成型(如RTM和RIM工艺)。而且对于复杂型面结构(三维芯材结构)具有良好的可设计性和制造性以及在使用过程中的泡沫为闭孔结构，和开孔的蜂窝相比具有较低的吸水率，可以减少后期维护成本。另外泡沫芯材还具有隔热、保温的优点。但结构性能和蜂窝相比，泡沫夹芯材料的结构性能尤其在平压和剪切刚度和强度方面明显低于同密度的蜂窝夹芯材料，生产泡沫夹芯板的原材料成本较高。

轻质泡沫夹芯板可通过高分子材料经过发泡工艺生产制造。不同的原材料和不同的制造工艺，其生产的泡沫夹芯板的结构性能也不尽相同。比如现在常用的泡沫夹芯：聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、丙烯腈-苯乙烯(SAN)、聚醚酰亚胺(PEI)以及聚甲丙烯酰亚胺(PMI)，其中PU和PS价格较低，结构性能一般，通常作为浮力材料，不作为结构增强夹芯材料。而后面几种材料的结构性能能满足设计要求，但是价格较为昂贵，而且目前这些泡沫夹芯的性能还无法满足某些特殊情况下的要求，暂时还无法替代蜂窝夹芯材料。所以，在不增加成本或很大重量的情况下，若可以通过增强工艺，实现对不能作为结构芯材使用的PU和PS的性能的强化(提升抗压强度以及抗剪切性能等)，以及后几种材料的结构性能在原有基础上的改进，这样可以将低成本的泡沫作为夹芯架构使用，原来作为夹芯的昂贵泡沫材料可以替换蜂窝夹芯材料，这些将具有重要的意义。

目前对泡沫结构强度增强多采用后补强法，即泡沫完成发泡后，通过植入增强材料(纤维或其他材料)的方式来提升泡沫夹芯的结构性能。目前的方法有：1、利用柔性单面缝纫头进行单面缝合，缝线形成的环穿过蒙皮，进入泡沫芯材，在进行树脂灌注的过程，浸润树脂，并随着制件的固化过程而随之固化。2、采用碳纤维增强，在现有泡沫材料的基础上开发的新型芯材，即X-Cor和K-Cor，该增强泡沫都是使用Z-Fiber针，X-Cor和K-Cor皆为美国Aztex研发的。其中X-Cor将露出泡沫表面的Z向纤维埋入蒙皮中，提高蒙皮和芯材之间的粘结性能，Z向纤维形成的桁架结构承受剪切和压缩载荷，泡沫对Z向纤维提供稳定的侧向支撑，X-Cor和K-Cor的不同之处是将露出的Z向纤维和泡沫表面压平。虽然该工艺已经得到了工业应用，但工艺复杂，成本昂贵，而且成型后植入纤维会对泡沫的整体结构造成损伤，增加树脂的吸入量，也间接影响夹芯结构的整体力学性能。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种轻质高强三维编织纤维增强泡沫夹芯板及其制作模具，实现在密度小幅增加的情况下，大幅提升泡沫结构的力学性能，为泡沫夹芯结构更大范围的应用甚至替代蜂窝夹芯结构提供了基础。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种轻质高强的三维编织纤维增强泡沫夹芯板，包括发泡材料包裹层和三维编织纤维增强材料层，所述三维编织纤维增强材料层一体固化设置在发泡材料包裹层内部腔体中。

进一步的，所述三维编织纤维增强材料层的密度为1-2000kg/m³。

进一步的，所述三维编织纤维增强材料层的材料包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、石墨纤维、陶瓷纤维中的一种或多种。

进一步的，所述发泡材料包裹层的材料包括原材料、发泡材料和辅助试剂，所述原材料包括可发泡的聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、丙烯腈-苯乙烯、聚醚酰亚胺和聚甲基丙烯酰亚胺中的一种或多种。