4.复合材料夹层结构

复合材料夹层结构2017.3.1412先进复合材料的重要发展方向轻量化高性能低成本三维增强夹层结构复合材料力学特性复合工艺概述概述3概述加入芯材的目的是维持两面板之间的距离，这一距离使夹层面板截面的惯矩和弯曲刚度增大。由于芯材的比重小，所以用它制成的夹层结构能在同样承载能力下，大大减轻结构的自重。夹层结构由三层以上的材料或结构组成的复合结构，有两层薄而高强度的面板结构，其间夹着一层厚而极轻的芯材。这是为了满足轻质高强要求而发展起来的一种结构形式。4夹层结构的面板材料可以是玻璃钢板、塑料板、铝板、胶合板等。它是夹层结构的主要受力部分。夹层结构的夹芯材料有蜂窝芯材、泡沫塑料、强芯毯、软木等，它在夹层结构中起连接和支撑面板的作用，承受的是剪切应力。夹层结构的优点很多，如比强度高、比刚度高、结构稳定性好、承载能力高、耐疲劳、抗振动、隔音、隔热等。5新型轻质夹层结构复合材料新型轻质夹层结构复合材料Z-pin夹层结构Z向缝合夹层结构连体织物夹层结构点阵夹芯结构6下面板上面板承力柱泡沫芯材Z向缝合夹层结构突出平压强度优异耐久性良好隔热隔声性主要几何参数承力柱高度承力柱分布密度承力柱细度7Z向缝合夹层结构泡沫芯材上面板内层承力柱纤维上面板外层下面板内层下面板外层缝合工艺8Z向缝合夹层结构应用领域9在泡沫塑料中植入与外表面呈一定角度的单向纤维针状物（即Z-pin）形成网架结构与传统的蜂窝夹层结构相比，突出的抗剪强度、抗压强度、抗冲击强度及耐久性面－芯粘结不需要其它胶粘剂Z-pin夹层结构主要几何参数Z-pin植入角度Z-pin细度植入密度10Z-pin植入工艺植入工艺Z-pin夹层结构缝合工艺11Z-pin夹层结构应用领域12Z-pin夹层结构13三维间隔连体织物是一种层与层之间由连续纤维芯柱相接而成一体呈空芯结构的编织物面层之间芯柱经向呈“8”字形，纬向呈“1”字形连体织物及复合材料无面/芯剥离抗冲击性能优异面层纤维芯柱面层主要几何参数芯柱高度经纱密度纬纱密度间隔纱密度14小型飞机座椅波兰的Bilsamaviation制造的轻型运动飞机SkyCruiser制备多层吸波材料应用于F/A-18E/F应用领域连体织物及复合材料15连体织物及复合材料应用领域16织物夹层结构17织物夹层结构18织物夹层结构19织物夹层结构20点阵夹芯结构高比强度点阵夹芯结构，也称为“类桁架结构”。是通过模拟分子点阵构型而设计出来多孔有序微结构的仿生结构，类似于现有的空间网架，只是在尺寸上要小的多高比刚度多功能21点阵夹芯结构应用领域点阵夹芯结构应用于卫星结构，其大的空隙为热控元件提供了安置空间，无需在结构中挖掘空洞，保持了结构完整性22点阵夹层结构23点阵夹层结构24点阵夹层结构25芯材的制备芯材与蒙皮的胶接蒙皮的成型芯材的承压能力与压力传递传统夹层结构26传统芯材制备工艺（一）玻璃布蜂窝（二）Nomex蜂窝（三）铝蜂窝传统夹层结构27（一）玻璃布蜂窝1、玻璃布及粘接剂的选择玻璃布蜂窝夹层通常都选用未脱蜡的平纹布，因为平纹布不易变形，不脱蜡可以防止树脂胶液渗到玻璃布的背面，产生粘连现象。常用的玻璃布有0.1mm、0.12mm、0.16mm、0.2mm厚的无碱平纹布。玻璃布的选择28制造玻璃布蜂窝的粘接剂品种有热固性的粘接剂，也有热塑性的粘接剂。它的选择是根据制造蜂窝夹层结构时的工艺条件和浸胶时的使用的树脂种类而定。目前常选用的蜂窝粘接剂有环氧树脂、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛。粘接剂的选择29蜂窝方向的规定302、玻璃布蜂窝芯子的制造蜂窝夹芯制造方法波纹法（模压法）蜂窝芯子条展开法（胶接拉伸法）31首先在波形摸具上，按手糊成型或模压成型工艺制成半六角形的波纹板，然后用粘接剂粘成蜂窝芯子。波纹法制成的蜂窝芯子，其蜂格尺寸正确，可制任何规格的蜂窝芯子。但需要大量摸具，工艺落后，生产效率低，所以目前已很少使用。波纹法3233展开法是目前常用的蜂窝夹芯制造方法①将粘接剂通过不同方式涂在玻璃布上形成胶条。相邻两层涂有胶条的玻璃布应使胶条错开，即上一层玻璃布的胶条位置正好在下一层玻璃布上的相邻两胶条的中间。以这种方法相互粘接在一起的玻璃布形成一块蜂窝芯子板。②待蜂窝芯子板中的粘接剂充分固化，将其放在切纸机上切成一条条具有所要求高度的蜂窝芯子条，然后将蜂窝芯子展开，即成蜂窝。具体工艺流程如下：展开法3435玻璃布胶液涂胶条（印胶或漏胶）叠合压制固化切割拉伸浸胶凉置固化成型蜂窝夹芯展开法制造蜂窝夹芯的工艺流程36①涂胶与叠合在玻璃布上涂胶条，常采用机械涂胶法即在涂胶机上进行，也可用手工涂胶法涂胶。37手工涂胶法a.制作涂胶板。在塑料薄膜上，用刻纸刀刻出涂胶条。胶条的宽度和间距根据蜂窝格子的边长确定，具体宽度根据玻璃布的厚度、密度、粘接剂的粘度等具体条件确定。b.调整手工涂胶机移动板的行程。c.根据蜂窝芯子尺寸大小裁剪玻璃布。d.铺好玻璃布。e.对蜂窝芯子板均匀加压，待粘接剂完全固化后，卸去压力，切制蜂窝芯子条。f.用手工或机器将切制好的蜂窝芯子条展开。3839机械涂胶法手工涂胶法工艺简单，不需要特殊的设备，但劳动强度大，生产效率低，仅适用于少量特殊规格的蜂窝芯子生产，大规模生产一般采用机械涂胶法。机械涂胶法分为漏胶法和印胶法两种。40漏胶式自动涂胶机结构示意图41漏胶式自动涂前机主要由三个部分组成：涂胶系统、传动系统和加温系统。涂胶时，首先将玻璃布卷缠在卷筒上，然后将布通过漏胶嘴、干燥平板、导轮连接在叶轮转筒上。胶条的涂制，主要通过漏胶嘴来实现。漏胶嘴是按一般的圆珠笔的原理制成，嘴内有一个小弹簧，顶住圆珠，圆珠与胶嘴侧壁间没有间隙，胶液不能流出，而涂胶时就相当于圆珠笔在纸上写字。涂有胶条的玻璃布经过干燥平板，干燥后在叶轮转筒上卷起来。叶轮转筒每卷一周后，胶盒可以自动抬起（胶嘴脱离玻璃布），同时向左或向右错移一定距离，此距离正好等于胶条间距的一半。这样，在叶轮转筒上卷起来的涂有胶条的玻璃布，即与邻层玻璃布上的胶条错开，开成如下图所示的蜂窝。42蜂窝叠合示意图43漏胶法的特点：漏胶法的生产效率高，但漏胶嘴不易加工，胶条宽度不易控制，涂胶质量较差，设备清洗也不方便，故很少用。44下图所示的是印胶式自动涂胶机的结构示意图。涂胶时，首先将布卷在绕布辊1上，然后将布通过导轮6、两个涂胶辊2、干燥板7，再与另一绕布辊1的玻璃布一起，连接于叶轮转筒8上。当开动涂胶机时，玻璃布按着箭头所指的方向移动，与此同时，盛于胶槽中的胶液，通过带胶辊4和递胶辊3带到涂胶辊的凸筋上，玻璃布恰好与涂胶辊的凸筋相切，玻璃布做直线移动，而涂胶辊在玻璃布上与布作相同方向的转动，并将条状胶液印在玻璃布的表面上，形成连续的胶条。4546印胶法的特点：印胶法是常用的涂胶方法，其设备简单，机械化程度较高，质量容易控制，生产效率高，适合大量生产。针对不同粘度有胶液，可以通过调整带胶辊、递胶辊和涂胶辊之前的距离，就可以印出满意的胶条。但这各设备的胶槽不易密闭，在涂胶过程中胶液的粘度易发生变化，产生缺陷。可以通过连续往胶槽中加料解决。47涂胶质量控制：涂胶质量的控制是能否制造良好蜂窝的关键。涂胶要防止漏胶与透胶，保证尺寸宽度。在涂胶过程中，主要是控制涂出胶条的宽度、厚度和各胶条间的平行度，以及胶条的干燥程度。胶条只能涂于布层的一面，而不能透到布的反面。48涂胶工艺中易发生漏涂和透胶这两个影响蜂窝质量的问题。其原因如下：1.胶液压力。涂胶辊对玻璃布的接触压力越大，胶液浸透到玻璃布背面的可能性也就越大，容易造成严重的透胶现象，致使固化后的蜂窝芯子条拉不开。2.胶液粘度。胶液粘度越大越不易透胶，但粘度过大会造成涂胶困难，或使胶层过厚在加压固化过程中出现透胶。胶液粘度小则容易在涂胶过程中发生透胶。因此在保证涂胶顺利的情况下，胶液粘度越大越好。3.皱褶和偏斜。涂胶过程中往往会出现玻璃布打折和偏移，影响蜂窝质量。原因是传动不平稳，涂胶导向及胶布放布辊之间不平行等。49②压制固化涂胶完毕后从叶轮转筒上取下的蜂窝叠块，按所用胶的固化规范固化。压力大小以胶液不渗透到玻璃布背面，保证蜂窝胶接边胶合良好为原则。蜂窝叠块的厚度即布的层数，由产品的尺寸要求来决定。可由以下公式算出：式中：L（mm)为蜂窝叠块拉伸后的长度；n为所需的层数；a(mm)为蜂窝格宽度；b(mm)为玻璃布的厚度。50③切割、拉伸与浸胶压制好的蜂窝叠块，按蜂窝高度h（切割宽度）即将来面板间距的要求在切纸机上进行切割。然后拉伸蜂窝，并将其固定在特制的浸胶托架上，浸入预先调配好的一定粘度的树脂前液中。缓慢取出托架，水平放置以挥发溶剂，经24-48小时后，就可以从托架上取下蜂窝。51浸胶这一工序对蜂窝夹芯的质量有着直接的影响。玻璃布只有在浸胶固化后，才能承力。因此，胶的含量和蜂窝格壁上胶量的均匀程度直接影响蜂窝夹芯的强度。含胶量在工艺上主要通过胶液粘度或浓度或密度来控制，尤其是用密度控制更为方便。密度大——含胶量大，强度可提高，但较重；密度小——含胶量小，强度低、刚度低。52④固化成型浸过胶的蜂窝块，经凉置干燥后，还不能使用，需进行固化，才能成为制品的夹芯材料。蜂窝夹芯的成型固化分以下三种情况：1）制品是平板形。当蜂窝芯从脱架取出后，可放在平板模具上固化。2）制品形状比较简单，曲率半径大。将蜂窝夹芯在平板模具上加热使其部分固化。这种半固化蜂窝夹芯加热时能不同程度软化，具有一定变形能力，但冷却时又有一定刚度，能承受较大的工艺压力。3）制品形状比较复杂。将经晾置干燥后的蜂窝在模胎上进行拼接成型。53制造大面积或异形制品时，蜂窝的尺寸往往不能满足要求，因此需要拼接。拼接时取少量胶液，涂在拼接处，搭接长度为六角形边长，用夹子固定，待固化后除去夹子即可。也可通过填充泡沫胶的方式拼接。⑤蜂窝的拼接54（二）Nomex蜂窝Nomex蜂窝是一种性能比较优异、应用比较广泛的芳纶纸蜂窝。芳纶纸蜂窝的制造一般采用拉伸法。55①涂胶工序涂胶工序中由涂胶机完成芯条胶涂印在芳纶纸上。一般采用凹印涂胶法，涂胶辊依靠辊子的压力将芯条胶涂印到芳纶纸的一面上。以制作正六边形蜂窝为例，胶条的宽度与间距根据蜂窝格子的边长来确定。胶条的理论宽度为a，但由于芯条胶的胶液会向两边渗透，使得蜂窝格子的胶条宽度大于a。所以为了确保蜂窝格子的正六边形，实际涂胶宽度要稍小于a。56②叠合与压制工序在芳纶纸上涂印好规则均匀的胶条后，将连续的芳纶纸裁切成一定长度，按一定规则进行叠合：即上一张纸的胶条于下一张纸的胶条正中间。叠合的定位方式可采取对胶条或打孔定位法。对胶条法主要依靠操作人员的肉眼观察，主观性较大，容易造成胶条偏斜。而打孔定位法采用机器打孔，消除了主观误差，定位准确，因此在实际生产中打孔定位法被普通采用。57叠合工序完成后，进行叠板的压制。叠板压制前先设定好温度与压力，在压制过程中主要完成芯条胶的固化，使得蜂窝孔格的节点强度达到一定的要求。叠板只有经过压制工序后蜂窝孔格才可以形成，才可以进行后续的切割、拉伸工序。58③切割、拉伸与定型工序叠板压制完成后进行切割，根据用户的需要确定切割高度。然后使用拉伸机拉伸蜂窝叠块或叠条，在叠块或叠条的两端施加均匀的拉伸力，力的方向垂直于蜂窝孔轴方向，在拉伸力的作用下孔格渐渐展开成所要求的孔格形状及孔格尺寸。将拉伸完成后的蜂窝放入烘房中进行定型。由于芳纶纸具有高回弹的特性，因此该工序对于芳纶纸蜂窝显得很必要。在定型中不仅使蜂窝孔格固定成型，同时也消除了大部分的加弹应力。59④浸胶与固化工序定型完成后的蜂窝进行浸渍胶液，胶液种类有：酚醛树脂、改性酚醛树脂、环氧树脂、聚酰氨树脂等，根据不同原材料及不同的用途选择浸渍胶液的种类。对于芳纶纸蜂窝一般选用热固性酚醛树脂。在固化工序中热固性酚醛树脂转变为不溶不熔的体型高聚物。60在固化工序中易产生两种缺陷：一是蜂窝表面起泡，这是由于升温速率过快，一些小分子挥发物附着在芳纶纸表面上来不及挥发出去，形成圆鼓泡；二是树脂剥落，这是由于固化温度过高或在固化周期中降温过慢，树脂在高温中暴露时间过长。61（三）铝蜂窝铝蜂