CN116001321A - 复合材料泡沫夹芯件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种复合材料泡沫夹芯件及其制备方法。该方法在泡沫夹芯中设置凹槽和预埋件孔；将加强筋设置于所述凹槽中，预埋件设置于所述预埋件孔中；最后用蒙皮包覆所述泡沫夹芯和所述加强筋。复合材料泡沫夹芯件不仅能够有效改善翘曲变形的情况，显著提高材料的比强度与比刚度；而且能够保证装配尺寸精度；同时最外层的蒙皮具有绝缘作用，是一类集结构/功能一体化的轻量化复合材料泡沫夹芯件，在航空航天等领域具有较高的应用前景。

Description

复合材料泡沫夹芯件及其制备方法

技术领域

本申请涉及复合材料领域，尤其涉及一种复合材料泡沫夹芯件及其制备方法。

背景技术

相较于传统的金属材料，复合材料具有轻量化，力学性能及抗疲劳性能优异的特点。目前的复合材料泡沫夹芯结构使用胶粘剂将玻璃纤维或碳纤维蒙皮粘接在泡沫表面，由于泡沫自身的强度与刚度较低，所以此种方法制备的复合材料泡沫夹芯结构强度和刚度也比较低，尤其是蒙皮与泡沫之间的界面强度及整体的抗剪切强度较差。温度的变化会导致复合材料泡沫夹芯结构存在残余应力，导致翘曲、变形，影响产品使用。

发明内容

基于此，本申请提供了一种防翘曲的复合材料泡沫夹芯件及其制备方法。

本申请的一个实施例提供一种复合材料泡沫夹芯件，包括：泡沫夹芯，设置有凹槽和预埋件孔；加强筋，设置于所述凹槽中；预埋件，设置于所述预埋件孔中；蒙皮，包覆所述泡沫夹芯和所述加强筋。

根据本申请的一些实施例，所述预埋件包括：金属件；嵌板，所述金属件设置于所述嵌板上，所述嵌板设置于所述预埋件孔中。

根据本申请的一些实施例，所述蒙皮的最外层为绝缘层。

本申请的一个实施例提供一种复合材料泡沫夹芯件的制备方法，包括：将预埋件设置在泡沫夹芯的预埋件孔中；将加强筋材料铺设在所述泡沫夹芯的凹槽中，所述加强筋材料为预浸料；利用真空袋对所述泡沫夹芯和所述加强筋材料进行预压；在所述泡沫夹芯和所述加强筋材料上铺设蒙皮材料，形成铺贴件；利用真空袋封装所述铺贴件；对封装后所述铺贴件进行固化处理。

根据本申请的一些实施例，复合材料泡沫夹芯件的制备方法还包括：对泡沫材料进行干燥处理，在干燥后的泡沫材料上加工出所述凹槽和预埋件孔，获得所述泡沫夹芯。

根据本申请的一些实施例，所述对泡沫材料进行干燥处理包括：在115℃～125℃干燥2～4h。

根据本申请的一些实施例，复合材料泡沫夹芯件的制备方法还包括：将充塞材料填塞入金属件，将所述金属件粘接在嵌板上，获得预埋件。

根据本申请的一些实施例，所述利用真空袋对所述泡沫夹芯和所述加强筋材料进行预压后，若所述凹槽中的加强筋材料低于所述泡沫夹芯的表面，则在所述凹槽中继续铺设加强筋材料至所述加强筋材料与所述泡沫夹芯的表面平齐。

根据本申请的一些实施例，复合材料泡沫夹芯件的制备方法还包括：铺设所述蒙皮材料之前，在所述泡沫夹芯的侧面铺贴发泡胶。

根据本申请的一些实施例，所述对封装后所述铺贴件进行固化处理包括：升温至80℃，保温25～35min，升温速率1～2℃/min；从80℃升至130℃，保温145～155min，升温速率1～2℃/min。

本申请的复合材料泡沫夹芯件在泡沫夹芯中设置加强筋，再由蒙皮包裹泡沫夹芯，复合材料泡沫夹芯件具有较高的强度和刚度，不易发生弯曲变形。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本申请要求保护的范围。

图1是本申请实施例复合材料泡沫夹芯件的示意图；

图2是本申请实施例复合材料泡沫夹芯件的剖视示意图；

图3是本申请实施例泡沫夹芯的俯视图；

图4是本申请实施例复合材料泡沫夹芯件的制备流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1和图2所示，本申请的实施例提供一种复合材料泡沫夹芯件100，复合材料泡沫夹芯件100包括泡沫夹芯1、加强筋2、预埋件3和蒙皮4。加强筋2和预埋件3设置于泡沫夹芯1上，蒙皮4包覆在泡沫夹芯1上，以提高复合材料泡沫夹芯件100的整体强度和刚度。

如图3所示，泡沫夹芯1上设置有凹槽11和预埋件孔12。例如在泡沫夹芯1的上表面的边缘及中部和下表面的边缘及中部均设置凹槽11，在凹槽11的槽底设置预埋件孔12。泡沫夹芯1的材质可选用PMI泡沫。

加强筋2设置于凹槽11中，加强筋2的材质为复合材料。加强筋2的原料可选为预浸料，例如，碳纤维预浸料，将碳纤维预浸料逐层铺设在凹槽11中，碳纤维预浸料固化后形成碳纤维复合材料。在泡沫夹芯1中设置加强筋2，可提高复合材料泡沫夹芯件100的整体强度和刚度，复合材料泡沫夹芯件100不易发生翘曲变形。

预埋件3设置于预埋件孔12中。例如，预埋件3为金属件，金属件上设置有连接结构，用于复合材料泡沫夹芯件100与外部结构件的连接。例如，连接结构为螺纹结构。

蒙皮4包覆泡沫夹芯1及泡沫夹芯1中的加强筋2。蒙皮4的材质为复合材料，例如，将碳纤维预浸料逐层铺设在泡沫夹芯1上，碳纤维预浸料固化后形成碳纤维复合材料。

本申请在泡沫夹芯1上设置凹槽，在凹槽中铺设加强筋2，再整体包覆蒙皮4，复合材料泡沫夹芯件100具有较高的强度和刚度，不易发生翘曲变形。

在一些实施例中，预埋件3包括金属件和嵌板。嵌板可选为碳纤维复合材料。金属件上设置有连接结构，金属件设置于嵌板上，例如，金属件通过胶膜粘附在嵌板上。嵌板设置于预埋件孔12中。嵌板埋入泡沫夹芯1中，可防止后期安装时金属件在泡沫夹芯1内部转动，增强后期安装可靠性。

在一些实施例中，蒙皮4的最外层为绝缘层。例如，蒙皮4的最外层为玻璃纤维复合材料，提高复合材料泡沫夹芯件100的绝缘性。

如图4所示，本申请的实施例提供一种上述复合材料泡沫夹芯件的制备方法，包括：

S1、将预埋件设置在泡沫夹芯的预埋件孔中；

S2、将加强筋材料铺设在泡沫夹芯的凹槽中，加强筋材料为预浸料；

S3、利用真空袋对泡沫夹芯和加强筋材料进行预压；

S4、在泡沫夹芯和加强筋材料上铺设蒙皮材料，形成铺贴件；

S5、利用真空袋封装铺贴件；

S6、对封装后铺贴件进行固化处理，获得复合材料泡沫夹芯件。

在一些实施例中，上述方法还包括：对泡沫材料进行干燥处理，在干燥后的泡沫材料上加工出凹槽和预埋件孔，获得泡沫夹芯。

可选地，对泡沫材料进行干燥处理包括：对泡沫材料的表面进行清理，例如使用蘸有无水乙醇或丙酮的脱脂纱布清理泡沫材料的表面。将清理后的泡沫材料包裹真空袋，置于烘箱中115℃～125℃干燥2～4h。

在一些实施例中，上述方法还包括：将充塞材料填塞入金属件，将金属件粘接在嵌板上，获得预埋件。将充塞材料填塞入金属件可以对金属件的连接结构进行保护，防止固化过程中树脂进入金属件中。充塞材料应选用易清理的材料。

例如，将金属件用丙酮清理干净后，金属件内部填塞硅橡胶，外部包裹一层J-47C胶膜。处理好的金属件粘在嵌板上，获得预埋件，将预埋件埋入加工好的预埋件孔中。

在一些实施例中，步骤S3、利用真空袋对泡沫夹芯和加强筋材料进行预压后，凹槽中的加强筋材料可能低于泡沫夹芯的表面。若凹槽中的加强筋材料低于泡沫夹芯的表面，则在凹槽中继续铺设加强筋材料至加强筋材料与泡沫夹芯的表面平齐，以便后续工艺的进行。

在一些实施例中，上述方法还包括：铺设蒙皮材料之前，在泡沫夹芯的侧面铺贴发泡胶，避免蒙皮与泡沫夹芯之间出现脱胶。例如，在图3中的泡沫夹芯的左右两侧铺贴厚度0.1～0.2mm的J-47D发泡胶。

在一些实施例中，步骤S6中对封装后铺贴件进行固化处理包括：升温至80℃，保温25～35min，升温速率1～2℃/min；从80℃升至130℃，保温145～155min，升温速率1～2℃/min。

实施例1

本实施例复合材料泡沫夹芯件的制备步骤包括：

1、对PMI泡沫材料进行干燥处理：使用蘸有无水乙醇或丙酮的脱脂纱布将PMI泡沫材料表面碎屑及杂物清理干净，包裹真空袋，置于烘箱中120℃干燥3h。

可选地，干燥处理时，将重物压在PMI泡沫材料的表面，避免PMI泡沫材料受热变形。重物不能直接接触PMI泡沫材料，防止污染。

2、泡沫加工：使用机床加工PMI泡沫材料的外型尺寸及内部凹槽和预埋件孔，获得泡沫夹芯。

3、预埋件处理：将金属件用丙酮清理干净后，金属件内部填塞硅橡胶，外部包裹一层J-47C胶膜。处理好的金属件粘在1mm厚度的嵌板上，获得预埋件，将预埋件埋入加工好的预埋件孔中。嵌板为碳纤维复合材料。

4、铺设加强筋：剪裁预设宽度的碳纤维预浸料，按照0°和90°交替铺设于泡沫夹芯的凹槽处，直至碳纤维预浸料与泡沫夹芯的表面齐平。其中，0度为泡沫夹芯长边方向。

5、预压：泡沫夹芯表面依次铺放脱模布、隔离膜、透气毡及真空袋，使用密封胶条密封，抽真空至800mbar以上，预压15min左右。

预压实为室温下操作，使用的密封胶条可选为灰泥，真空袋等辅助材料也是室温使用，可降低生产成本。

6、发泡胶填充：在泡沫夹芯左右两侧铺贴一层J-47D发泡胶，厚度0.1～0.2mm。由于发泡胶的延展性较好，将厚度2mm的发泡胶经拉伸延展后，厚度可达到0.1～0.2mm。

7、铺设蒙皮：按照0°和90°交替铺贴碳纤维预浸料，最外层包裹一层中温玻璃纤维预浸料，形成铺贴件。其中，0°为泡沫夹芯长边方向。

铺设蒙皮材料时，若发现凹槽经过抽真空预压后，加强筋材料略低于泡沫夹芯表面，可再填塞至少一条单向碳纤维预浸料，直至加强筋材料与泡沫夹芯表面齐平。

8、封装：在铺贴件表面依次铺放脱模布、复材工艺蒙皮、隔离膜、透气毡、真空袋，用密封胶条进行封装。

9、真空度检测：连接真空系统，保证步骤8中封装后的真空袋真空度达到至少920mbar，抽真空至少15min后，关闭真空系统，5min内真空压力下降不超过20mbar。

10、固化：将封装后的铺贴件连同转移至烘箱中，设置固化程序，产品固化成型。

固化程序为：从室温升温至80℃，保温30min，升温速率1.5℃/min；再从80℃升至130℃，保温150min，升温速率1.5℃/min。保温结束后自然降温。

11、脱模：固化结束后，模具冷却至室温后，进行脱模。

12、清理：清理复合材料泡沫夹芯件外表面毛刺，及填塞在金属件内部的硅橡胶。

对复合材料泡沫夹芯件进行翘曲度检测：

将复合材料泡沫夹芯件放置在平面度检测平台上，观察其自然状态下的翘曲程度，进行翘曲度检测。发现该泡沫夹芯件并未出现明显翘曲，根据角度尺的测量结果，其翘曲程度可控制在2-3°范围内。

对比例

利用已有工艺制备复合材料泡沫夹芯件：

1、对PMI泡沫材料进行加工，获得预定尺寸的泡沫夹芯。

2、在泡沫夹芯上铺设蒙皮材料，蒙皮材料碳纤维预浸料，获得铺贴件。

3、在铺贴件表面依次铺放脱模布、复材工艺蒙皮、隔离膜、透气毡、真空袋，用密封胶条进行封装。

4、真空度检测：连接真空系统，保证步骤8中封装后的真空袋真空度达到至少920mbar，抽真空至少15min后，关闭真空系统，5min内真空压力下降不超过20mbar。

5、固化：将封装后的铺贴件连同转移至烘箱中，设置固化程序，产品固化成型。

固化程序为：从室温升温至80℃，保温30min，升温速率1.5℃/min；再从80℃升至130℃，保温150min，升温速率1.5℃/min。保温结束后自然降温。

6、脱模：固化结束后，模具冷却至室温后，进行脱模。

7、清理：清理复合材料泡沫夹芯件外表面毛刺。

对复合材料泡沫夹芯件进行翘曲度检测：

将复合材料泡沫夹芯件放置在平面度检测平台上，观察其自然状态下的翘曲程度，进行翘曲度检测。根据角度尺的测量结果，发现该夹芯件的对角发生明显的翘起和扭曲，且翘曲角度达到了20-25°。

对比实施例1和对比例可知，本申请的复合材料泡沫夹芯件强度和刚度较好，不易变形。

本申请在泡沫夹芯表面的蒙皮及加强筋均使用0°和90°交替铺层，取消45°的铺层角度，简化的铺层设计，既节省了原料，也降低了成本。泡沫使用前经过干燥处理。以上操作的协同作用，促进了残余应力的释放，改善了产品的翘曲变形。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种复合材料泡沫夹芯件，其特征在于，包括：

泡沫夹芯，设置有凹槽和预埋件孔；

加强筋，设置于所述凹槽中；

预埋件，设置于所述预埋件孔中；

蒙皮，包覆所述泡沫夹芯和所述加强筋。

2.根据权利要求1所述的复合材料泡沫夹芯件，其特征在于，所述预埋件包括：

金属件；

嵌板，所述金属件设置于所述嵌板上，所述嵌板设置于所述预埋件孔中。

3.根据权利要求1所述的复合材料泡沫夹芯件，其特征在于，所述蒙皮的最外层为绝缘层。

4.一种复合材料泡沫夹芯件的制备方法，其特征在于，包括：

将预埋件设置在泡沫夹芯的预埋件孔中；

将加强筋材料铺设在所述泡沫夹芯的凹槽中；

利用真空袋对所述泡沫夹芯和所述加强筋材料进行预压；

在所述泡沫夹芯和所述加强筋材料上铺设蒙皮材料，形成铺贴件；

利用真空袋封装所述铺贴件；

对封装后所述铺贴件进行固化处理。

5.根据权利要求4所述的复合材料泡沫夹芯件的制备方法，其特征在于，还包括：

对泡沫材料进行干燥处理，在干燥后的泡沫材料上加工出所述凹槽和预埋件孔，获得所述泡沫夹芯。

6.根据权利要求5所述的复合材料泡沫夹芯件的制备方法，其特征在于，所述对泡沫材料进行干燥处理包括：在115℃～125℃干燥2～4h。

7.根据权利要求4所述的复合材料泡沫夹芯件的制备方法，其特征在于，还包括：

将充塞材料填塞入金属件，将所述金属件粘接在嵌板上，获得所述预埋件。

8.根据权利要求4所述的复合材料泡沫夹芯件的制备方法，其特征在于，在所述利用真空袋对所述泡沫夹芯和所述加强筋材料进行预压后，所述方法还包括：

若所述凹槽中的加强筋材料低于所述泡沫夹芯的表面，则在所述凹槽中继续铺设加强筋材料至所述加强筋材料与所述泡沫夹芯的表面平齐。

9.根据权利要求4所述的复合材料泡沫夹芯件的制备方法，其特征在于，还包括：铺设所述蒙皮材料之前，在所述泡沫夹芯的侧面铺贴发泡胶。

10.根据权利要求4所述的复合材料泡沫夹芯件的制备方法，其特征在于，所述对封装后所述铺贴件进行固化处理包括：

升温至80℃，保温25～35min，升温速率1～2℃/min；

从80℃升至130℃，保温145～155min，升温速率1～2℃/min。

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