1.本发明涉及复合板材的成型领域，尤其涉及一种轻质高强的复合板材及其制备方法。
背景技术：2.近年随着材料及工艺水平的快速发展，复合材料在航空航天、船舶，轨道交通、空间站、飞行器等有了广泛的运用，蜂窝夹层结构具有良好的比强度和平整度，能大幅减轻结构重量提升结构效率。现有的复合板材多采用热压罐分步固化工艺制作，即分别固化碳纤维上下蒙皮，然后在夹芯材料上涂覆环氧结构胶，将上下蒙皮分别粘结上，再推进热压罐固化成型；此种方法难以克服结构尺寸和大曲率面板的精度控制，上下蒙皮和蜂窝粘结固化时容易出现翘曲，导致成型过程中的结构变形；随着时代的发展，复合板材衍生许多环状或曲面等结构形式的需求，现有的蜂窝夹层结构及工艺难以满足形式多样的复合板材设计需求。
技术实现要素：3.本发明的目的在于提供一种整体成型，不受热压罐限制可制备大型复杂异型件的新型轻质高强复合板材及其制备方法。
4.为实现上述目的，本发明提供一种轻质高强的复合板材，其特征在于，复合板材的结构为上中下三层，上下层分别为上蒙皮和下蒙皮，中间层为类似蜂窝的结构，其由多个小块连接构成；其中小块的形状不受限制，每个小块中间为发泡芯材，外面包裹一层碳纱或纤维布，发泡芯材和碳纱或纤维布之间热压紧密结合；优选的，纤维布为玻纱或凯夫拉中的至少一种。
5.进一步，所述小块的形状为多边形和或异型；优选的，所述多边形为三角形，四边形，五边形和/或六边形等更多边形，还可以是异型，所述异型涵盖不限于半球形、u形的所有不规则的形状。所述多个小块可以是相同形状，也可以是不同形状。
6.本发明还提供一种权所述轻质高强的复合板材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，s1,根据复合板材的结构和尺寸进行碳纤维或纤维布预浸料的裁切；
7.s2.根据复合板材的模具设计，中间用喷涂了聚四氟乙烯的材料作为栅格挡板，将复合板材分割成多个格子，在每个格子中放入未发泡的芯材加热成型后使发泡芯材充满每个格子，制备成多个预制芯材；
8.s3.处理预制芯材使光滑无毛边，再将处理后的预制芯材外面包裹碳纱或纤维布，制作成复合芯材；
9.s4.在复合板材下模具中铺设碳纤维预浸料下蒙皮；
10.s5.将上述制备得到的多个复合芯材均匀密集相互贴合的铺设在下模具中，全部铺设完毕后，再在复合芯材上铺设上蒙皮并反包盖住上模盖后通过螺丝锁紧；
11.s6.将上述模具打开制热装置成型，在加热传导的过程中夹芯层的发泡芯材再次
受热膨胀，使其外围的碳纤维预浸料受挤压充满模腔；使碳纤维预浸料承受模压的同时也能受到芯材膨胀产生的由内而外的挤压，可以有效排挤层间微小气泡，提升碳纤维预浸料内部的层间结合力；
12.s7.待固化成型完成，将上述模具转至冷却台；
13.s8.冷却至可开模温度，开模取出制件，获得粗胚体；
14.s9.对上述粗胚体的外观进行整修获得轻质高强的复合板材。
15.进一步，所述s2中，加热成型的条件为120-150℃加热10-30min；优选的，加热成型的条件为130℃加热15min。
16.进一步，所述s2中，所述喷涂了聚四氟乙烯的材料是铁片，耐高温工程塑料，铝合金或不锈钢。
17.进一步，所述s3中的处理预制芯材为去除毛边，并用粗砂纸进行粗化处理。
18.进一步，所述s3中包裹碳纱或纤维布是指，将碳纱或纤维布包裹在预制芯材外面，以四边形预制芯材为例，四面包裹，或五面包裹，或六面包裹；当为四面包裹时，上下面各留出2-4mm的碳纱或纤维布以用于和上下蒙皮充分接着制作成复合芯材；
19.当为五面包裹时，空出的一面留出2-4mm的碳纱或纤维布以用于和上下蒙皮充分接着后反包制作成复合芯材。
20.进一步，所述s6中，设置制热装置的温度为120-180℃，成型时间0.5-3h；优选的150℃，成型时间1.5h。
21.本发明还保护所述轻质高强的复合板材用于反射面板、方舱面板、雷达背架的用途。
22.类似蜂窝的结构，一般认为蜂窝结构为多个六边形相互连接形成的结构，本发明的类似蜂窝的结构是指多个小块相互连接形成的结构，不一定是六边形，可以是任意形状的小块相互连接形成的结构。
23.根据复合板材的模具设计将复合板材分割成多个格子。根据力学性能要求，如果力学要求越高则格子越小；例如可以是正方形格子10*10mm；20*20mm；30*30mm等。
24.复合板材的中间层为类似蜂窝的结构，其由多个小块连接构成；其中多个小块的形状不受限制，可以为任意形状，比如三角形，四边形，五边形和/或六边形，每个小块中间为发泡芯材，外面包裹一层碳纱或纤维布，发泡芯材和碳纱或纤维布之间热压紧密结合。其中发泡芯材保证了其具有轻质和高强的特性。同时外围包裹一层碳纱或纤维布，碳纱或纤维布保证了复合板材的进一步高强。由于发泡芯材能任意切割和任意组合，所以对于大型复杂异型件特别有优势。又由于是整体成型工艺，不会出现现有技术使用铝蜂窝复合板胶接工艺时由于胶黏剂或者胶接差异而引起的接缝处脱粘等风险。
25.本发明的技术方案相对于传统现有方案具有如下的显著优点：
26.1.较传统夹芯材料，本发明采用夹芯结构具有更低的设计密度，实现在相同外观尺寸下显著减轻制品的重量。
27.2.较传统热压罐分步固化成型工艺，本发明整体成型不需要分步制备上蒙皮、下蒙皮及后期胶接合型等过程，简化了整体制造流程，缩短了制造周期。
28.3.本发明非热压罐分步固化成型工艺，规避了制品受罐体大小约束的限制，更易制备大型异形件制品。
29.4.本发明采用复合芯材作为夹芯材料，其在模具内环境下，受热成型过程中，发泡芯材受热膨胀，而后固化定型，在此过程中其受热产生的向外膨胀力挤压作用于外围各层的纤维预浸布，可以有效排挤层间微小气泡，提升纤维复材内部的层间结合力，从而提升制品的力学性能。
30.5、本发明的复合芯材结构的导热系数0.037w/(m
·
s)。
具体实施方式
31.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
32.以下实施例的碳纤维预浸料和发泡芯材不限型号和类别。比如碳纤维预浸料的faw可以为200g/m2,rc为37％；也可以选择rc为40％等。
33.发泡芯材的faw可以为200g/m2，比如厦门市豪尔新材料股份有限公司的hr-313-6、hr-313-8、hr-313-10等。
34.一种轻质高强的复合板材，其特征在于，复合板材的结构为上中下三层，上下层分别为上蒙皮和下蒙皮，中间层为类似蜂窝的结构，其由多个小块连接构成；其中小块的形状不受限制，每个小块中间为发泡芯材，外面包裹一层碳纱或纤维布，发泡芯材和碳纱或纤维布之间热压紧密结合。
35.进一步，所述小块的形状为多边形和或异型；优选的，所述多边形为三角形，四边形，五边形和/或六边形等更多边形，还可以是异型，所述异型涵盖不限于半球形、u形的所有不规则的形状。所述多个小块可以是相同形状，也可以是不同形状。
36.本发明还提供一种权所述轻质高强的复合板材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，s1,根据复合板材的结构和尺寸进行碳纤维预浸料的裁切；
37.s2.根据复合板材的模具设计将复合板材分割成多个格子，中间用喷涂了聚四氟乙烯的材料作为栅格挡板，在每个格子中放入未发泡的芯材加热成型后使发泡芯材充满每个格子，制备成多个预制芯材；
38.s3.处理预制芯材使光滑无毛边，再将处理后的预制芯材外面包裹碳纱或纤维布，制作成复合芯材；
39.s4.在复合板材下模具中铺设碳纤维预浸料下蒙皮；
40.s5.将上述制备得到的多个复合芯材均匀密集相互贴合的铺设在下模具中，全部铺设完毕后，再在复合芯材上铺设上蒙皮并反包盖住上模盖后通过螺丝锁紧；
41.s6.将上述模具打开制热装置成型，在加热传导的过程中夹芯层的发泡芯材再次受热膨胀，使其外围的碳纤维预浸料受挤压充满模腔；使碳纤维预浸料承受模压的同时也能受到芯材膨胀产生的由内而外的挤压，可以有效排挤层间微小气泡，提升碳纤维预浸料内部的层间结合力；
42.s7.待固化成型完成，将上述模具转至冷却台；
43.s8.冷却至可开模温度，开模取出制件，获得粗胚体；
44.s9.对上述粗胚体的外观进行整修获得轻质高强的复合板材。
45.进一步，所述s2中，加热成型的条件为120-150℃加热10-30min；优选的，加热成型的条件为130℃加热15min。
46.进一步，所述s2中，所述喷涂了聚四氟乙烯的材料是铁片，耐高温工程塑料，铝合金或不锈钢。
47.进一步，所述s3中的处理预制芯材为去除毛边，并用粗砂纸进行粗化处理。
48.进一步，所述s3中包裹碳纱或纤维布是指，将碳纱或纤维布包裹在预制芯材外面，以四边形预制芯材为例，四面包裹，或五面包裹，或六面包裹；当为四面包裹时，上下面各留出2-4mm的碳纱或纤维布以用于和上下蒙皮充分接着制作成复合芯材；
49.当为五面包裹时，空出的一面留出2-4mm的碳纱或纤维布以用于和上下蒙皮充分接着后反包制作成复合芯材。
50.进一步，所述s6中，设置制热装置的温度为120-180℃，成型时间0.5-3h；优选的150℃，成型时间1.5h。
51.实施例1：轻质高强的复合板材的制备
52.1、根据复合板材的结构尺寸180*360*26mm，上下蒙皮面板及侧面壁厚1.2mm，裁切准备碳纤维预浸料和发泡芯材，
53.2、根据复合板材的模具180*360*26mm，设计分割成比如20*20mm的正方形格子，采用喷涂了聚四氟乙烯的材料(比如铁片或耐高温塑料或不锈钢或铝合金均可)作为栅格挡板，将每个格子放入未发泡的芯材使加热成型后充满每个格子，130℃加热15min成型制备好预制芯材；
54.3、将上述获得的预制芯材(20*20mm)去除毛边，并用粗砂纸进行粗化处理使表面光滑；处理完成后将厚度为0.2mm的45
°
碳纱或纤维布(大小为26*82mm)包裹在预制芯材外面(可包裹预制芯材的四个面，也可包裹预制芯材的五个面或六个面)，当包裹预制芯材的四个面时，上下面各留出约3mm的碳纱或纤维布并反包制作成复合芯材；
55.4、在复合板材下模具中铺设下蒙皮即碳纤维预浸料；
56.5、将上述制备得到的每个复合芯材均匀密集相互贴合的铺设在下模具中，全部铺设完毕后，再在复合芯材上铺设上蒙皮并反包盖住上模盖后通过螺丝锁紧；
57.6、将上述模具打开制热装置，其温度为150℃，成型时间1.5h，在加热传导的过程中夹芯层的发泡芯材受热膨胀，导致其外围的碳纤维预浸料受挤压充满模腔，同时受热过程中碳纤维预浸料中的环氧树脂固化成型；
58.7、待固化成型完成，将上述模具转至冷却台；
59.8、冷却至可开模温度，其温度为40℃，冷却时间30min，开模取出制件，获得粗胚体；
60.9、对上述粗胚体的外观进行整修，表面上漆等操作，获得一个新型的轻质高强的复合板材。
61.将所得的复合板材进行表1各项参数的测试，参考gb/t1452－2018夹层结构平拉强度试验方法；gb/t1453-2005夹层结构或芯子平压性能试验方法；gb/t1455-2005-t夹层结构或芯子剪切性能试验方法。
62.其中铝蜂窝复合板的铝蜂窝内切圆直径6.35mm，铝箔厚度0.06mm；密度64kg/m3。纸蜂窝复合板的纸蜂窝内切圆直径4.8mm，芳纶纸壁厚0.05，密度64kg/m3。
63.表1实施例1所得产品的效果对比表
[0064][0065][0066]
从表1可以看出，本发明的复合板材与铝蜂窝复合板，纸蜂窝复合板比较，力学性能满足要求但重量更轻，凸显了轻质高强的特点。
[0067]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
技术特征：1.一种轻质高强的复合板材，其特征在于，复合板材的结构为上中下三层，上下层分别为上蒙皮和下蒙皮，中间层为类似蜂窝的结构，其由多个小块连接构成；其中小块的形状不受限制，每个小块中间为发泡芯材，外面包裹一层碳纱或纤维布，发泡芯材和碳纱或纤维布之间热压紧密结合；优选的，纤维布为玻纱或凯夫拉中的至少一种。2.如权利要求1所述轻质高强的复合板材，其特征在于，所述小块的形状为多边形和或异型；优选的，所述多边形为三角形，四边形，五边形和或六边形；所述异型不限于半球形、u形。3.一种权利要求1所述轻质高强的复合板材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，s1.根据复合板材的结构和尺寸进行碳纤维或纤维布预浸料的裁切；s2.根据复合板材的模具设计，中间用喷涂了聚四氟乙烯的材料作为栅格挡板，将复合板材分割成多个格子，在每个格子中放入未发泡的芯材加热成型后使发泡芯材充满每个格子，制备成多个预制芯材；s3.处理预制芯材使光滑无毛边，再将处理后的预制芯材外面包裹碳纱或纤维布，制作成复合芯材；s4.在复合板材下模具中铺设碳纤维或纤维布预浸料下蒙皮；s5.将上述制备得到的多个复合芯材均匀密集相互贴合的铺设在下模具中，全部铺设完毕后，再在复合芯材上铺设上蒙皮并反包，盖住上模盖后通过螺丝锁紧；s6.将上述模具打开制热装置成型，在加热传导的过程中夹芯层的发泡芯材再次受热膨胀，使其外围的碳纤维预浸料受挤压充满模腔；s7.待固化成型完成，将上述模具转至冷却台；s8.冷却至可开模温度，开模取出制件，获得粗胚体；s9.对上述粗胚体的外观进行整修获得轻质高强的复合板材。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述s2中，加热成型的条件为120-150℃加热10-30min；优选的加热成型的条件为130℃加热15min。5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述s2中，所述喷涂了聚四氟乙烯的材料是铁片，耐高温工程塑料，铝合金或不锈钢。6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述s3中的处理预制芯材为去除毛边，并用粗砂纸进行粗化处理。7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述s3中包裹碳纱或纤维布是指，以四边形预制芯材为例，将碳纱或纤维布包裹在预制芯材外面，四面包裹，或五面包裹，或六面包裹；当为四面包裹时，上下面各留出2-4mm的碳纱或纤维布以用于和上下蒙皮充分接着后反包制作成复合芯材；当为五面包裹时，空出的一面留出2-4mm的碳纱或纤维布以用于和上下蒙皮充分接着后反包制作成复合芯材。8.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述s6中，设置制热装置的温度为120-180℃成型时间0.5-3h；优选的150℃，成型时间1.5h。9.权利要求1所述轻质高强的复合板材用于反射面板、方舱面板、雷达背架的用途。
技术总结本发明公开了一种轻质高强的复合板材。该复合板材的结构为上中下三层，上下层分别为上蒙皮和下蒙皮，中间层为类似蜂窝的结构，其由多个小块连接构成；其中小块的形状不受限制，每个小块中间为发泡芯材，外面包裹一层碳纱或纤维布，发泡芯材和碳纱或纤维布之间热压紧密结合。还提供了该复合板材的制备方法。制备方法整体成型，不受热压罐限制，更易制备大型异形件制品，制品轻质高强同时制造周期缩短。制品轻质高强同时制造周期缩短。
技术研发人员：蔡锦云 李淦 郑贞锋 陈智伟 汤灿彬 张文
受保护的技术使用者：厦门市中豪强碳纤复合材料有限公司
技术研发日：2022.07.15
技术公布日：2022/11/1
