一种金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构的制备方法

摘要

本发明公开了一种金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构的制备方法，包括：1、制备带有五个榫头的基座；2、制备空心的夹芯管；3、制备点阵蒙皮；4、将基座与夹芯管组装成夹芯结构的点阵芯子；5、将蒙皮与点阵芯子组装成点阵夹芯结构。本发明的制备方法具有自动化程度高、生产周期短的优点，而且应用该方法制备出的金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构强度高，力学性能完整，金字塔点阵胞元的周期性好，应用广泛。

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料点阵结构的制备工艺，具体涉及一种金字塔点阵夹芯结构的制备工艺。

背景技术

点阵结构是为了满足工程结构轻型化和多功能化要求而设计出来的一种新型结构。它具有高比刚度、高比强度、可设计性强以及满足多功能化需求的优点。点阵结构既可以有效地承受外部载荷，又易于布线、植入微型器件、填充功能材料等，因此该类结构是超轻多功能结构的理想结构平台。人们可借助这一超轻结构平台，实现其它不同的功能，如集结构、热控和微器件于一体的多功能结构；集结构、电源和热控于一体的多功能结构等。因此，点阵结构被认为是最有应用前景的新一代先进、轻质、超强韧多功能结构。

目前，点阵结构的制备主要以金属材料(如铝、钢等)为主，人们提出了点阵结构的多种拓扑构型，所涉及的制备工艺主要有：基于金属纤维编织工艺的网系叠层点焊方案、熔模铸造方案、基于微接触印刷技术的扎制—电镀焊接方案等。与金属材料相比，先进复合材料具有更高的比强度和比刚度，是制备点阵结构的首选材料。然而，现有制备纤维增强复合材料金字塔点阵夹芯板工艺复杂，生产效率低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有制备纤维增强复合材料三维点阵结构工艺复杂、生产效率低的问题，进而提供一种三维点阵结构的制备工艺。

本发明的技术方案如下：

一种金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构的制备方法，包括以下步骤：

1)制备带有五个榫头的基座，其中一个榫头垂直设于基座的一面，用于连接蒙皮；另外四个榫头以一定的倾斜角度设于基座的另一面，用于连接构成金字塔型芯子胞元的四根夹芯管；

2)制备空心的夹芯管；

3)制备点阵夹芯结构的上、下蒙皮，所述蒙皮上排列有与步骤1)所述基座上的垂直于表面的榫头相配合的通孔；

4)将步骤1)制备的基座与步骤2)制备的夹芯管组装成金字塔型芯子胞元，并用胶粘结，重复芯子胞元的制备，上、下排面的基座方向相反、间隔排列，即每个基座通过四根夹芯管分别与四个方向与之相反的基座连接，构成三维点阵夹芯结构的点阵芯子；

5)将蒙皮与步骤4)制备的点阵芯子组装成点阵结构，并用胶粘结。

上述步骤1)优选用浇铸法制备带有榫头的基座，具体过程如下：根据基座样式设计并制造出上模和下模相配合的模具；浇筑前，在模具内部喷涂脱模剂，以便浇筑体脱模；然后将处于熔融状态的树脂(热固性树脂和热塑性树脂均适用)注入模具中；固化成型后进行模具脱模，随后进行抛光等程序，即可完成带有五个榫头的基座的制备。

上述步骤2)夹芯管可采用搓管机制备：首先在心轴上涂脱模剂和定位树脂并干透；把用于制备夹芯管的预浸料切成预定长度和形状的片材；然后运用搓管机在心轴表面用所述片材制备夹芯管，制备过程中要保证搓管机与心轴的紧密配合，并注意控制搓管速度，避免材料拧或剪切；运用心轴抽取机将心轴取出，并清除残余树脂，以备下一批次制备；运用锯切机按设计切出相应长度和角度的夹芯管。

夹芯管的端面优选具有一定的倾斜度，以和基座的四个榫头配合，组装时与基座紧密连接。

步骤3)上、下蒙皮的制备方法可以选择下述两种方法中的一种：

(1)采用热压成型工艺制备上、下蒙皮，具体过程如下：选用轻质合金铝材作为垫板(3块)，并在垫板表面粘贴耐高温特氟龙薄膜，然后用丙酮清洗耐高温特氟龙薄膜表面，干燥后在薄膜表面喷涂脱模剂，脱模剂通常需要喷涂多次，每次喷涂结束后需要在烘箱内烘干；将纤维预浸料逐层铺放在垫板表面，并保证纤维铺设角度，铺放过程中要进行按压，以便减少纤维预浸料层间残留气体；将垫板进行堆叠放置，热压加热、加压后固化，固化温度范围为100～150℃，优选为120℃；固化压力范围为1.5～2.0MPa，优选为1.5MPa；固化时间范围为45～60分钟，优选为45分钟；压力恒定状态下室温冷却；将垫板取出，得到纤维板，在其上制备通孔，即可完成上、下蒙皮的制备。

(2)采用真空辅助树脂注塑方法制备上、下蒙皮，具体过程如下：选用玻璃或者薄金属板材作为垫板，用丙酮清洗表面去除污渍并喷涂脱模剂；将纤维干布逐层堆叠铺放于垫板上，然后依次铺放隔离膜、脱模布和导流网，采用密封袋进行密封；用真空泵抽真空(真空压力范围为0.08～0.1MPa，优选为0.08MPa)保压1～2小时后，注入树脂(乙烯基树脂或低粘度环氧树脂)，室温固化12小时后，取出纤维层合板制品并进行表面抛光，然后预制相应的通孔，即可完成上、下蒙皮制备。

步骤4)将多个基座的四头方向的榫头分别与夹芯管相互组装，组装处用环氧胶或者胶粘剂进行粘结，即制备出金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构点阵芯子。

步骤5)将制备完成后的点阵芯子与蒙皮组装，将每个基座的单头方向的榫头插入蒙皮上的通孔中，并用环氧胶或者胶粘剂进行粘结，即制备出金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明具有以下显著效果：1.本发明在制备过程中均可模块化生产，操作工艺简单，生产效率高。2.本发明采用钻孔嵌锁方法制备三维点阵夹芯结构，使得复合材料的力学性能得到充分发挥。因此本发明对提高复合材料点阵夹芯结构制备效率和力学性能，满足工程结构轻型化和多功能化的要求有着重要意义。总之，本发明制备金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构的方法具有自动化程度高、生产周期短的优点，而且应用该方法制备出的金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构强度高，力学性能完整，金字塔点阵胞元的周期性好，应用广泛。

附图说明

图1.金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构中带有五个榫头基座的示意图。

图2.浇铸法制备基座所需上、下模具示意图，其中：(a)为上模具示意图；(b)为下模具示意图。

图3.金字塔型复合材料三维点阵夹芯管示意图，其中：(a)为未切割夹芯管示意图；(b)为夹芯管示意图。

图4.金字塔型复合材料三维点阵上、下蒙皮示意图。

图5.金字塔型复合材料三维点阵芯子示意图，其中：(a)为制备点阵芯子胞元示意图；(b)为点阵芯子示意图。

图6.金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构不同方向的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明的技术方案，但本领域的技术人员应该理解，本发明的范围不应局限于实施例所公开的内容，在不脱离本发明的实质和精神的范围内，各种替换和修改都是可能的。

实施例1

参见图1至图6，根据下述步骤制备金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构：

步骤一：制备金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构中带有五个榫头的基座

所述带有五个榫头的基座结构如图1所示，其中一个榫头1垂直于基座表面，用于连接上蒙皮或下蒙皮；另外四个榫头2与基座的另一表面形成一定的角度，用于连接构成金字塔型芯子胞元的四根夹芯管。制备带有榫头的基座的方法为浇铸法，具体过程如下：

根据设计并制造出上模和下模相配合的模具(见图2)，图2(a)显示的上模具具有一个大凹槽，在大凹槽的中央又设置了一个垂直于表面的柱状小凹槽；图2(b)显示的下模具则设有四个与表面呈一定倾斜角度的小凹槽。浇筑前，在模具内部喷涂脱模剂，以便浇筑体脱模；将处于熔融状态的树脂(热固性树脂和热塑性树脂均适用)注入模具中；模具脱模，随后进行抛光等程序即可完成带有五个榫头的基座的制备。

步骤二：制备金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构中的夹芯管

所述夹芯管的结构如3所示，其中(a)是未切割前的样子，(b)为按照一定长度和端面角度切割后的夹芯管。其制备过程是：在心轴准备设备上涂上脱模剂和定位树脂并干透；把预浸料切成预定长度和形状的片材；运用搓管机制备夹芯管，制备过程中要保证搓管机与心轴的紧密配合，并注意控制搓管速度，避免材料拧或剪切；运用心轴抽取机将心轴取出，并清除残余树脂，以备下一批次制备；运用锯切机按设计切出相应的长度和角度。

步骤三：制备金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构中的上、下蒙皮

所述上、下蒙皮的结构如图4所示，上、下蒙皮的材料和结构一致，蒙皮上设有规则排列的通孔，与基座上的垂直榫头相配合。本实施例采用热压成型工艺制备上、下蒙皮，具体过程如下：选用轻质合金铝材作为垫板(3块)，并在垫板表面粘贴耐高温特氟龙薄膜，然后用丙酮清洗耐高温特氟龙薄膜表面，室温放置15分钟，随后在薄膜表面喷涂脱模剂，脱模剂需要喷涂3次，每次喷涂结束后需要在烘箱内烘干10分钟；将纤维预浸料逐层铺放在垫板表面，并保证纤维铺设角度，铺放过程中要进行按压，以便减少纤维预浸料层间残留气体；将垫板进行堆叠放置，热压加热、加压后固化，固化温度为120℃，固化压力为1.5MPa，固化时间为45分钟，压力恒定状态下室温冷却；将垫板取出，预制相应的通孔，即可完成上、下蒙皮的制备(见图4)。

步骤四：制备金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构中的点阵芯子

将基座(图1)的四个榫头2分别与夹芯管(图3中(b))相互组装，见图5中(a)，组装处用环氧胶或者胶粘剂进行粘结，即制备出一个金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构点阵芯子胞元；

重复芯子胞元的制备(图5)，上排面的基座与下排面的基座方向相对、间隔排列，每个基座通过四根夹芯管分别与另外四个基座连接，如图5(b)所述，即制备出一个金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构点阵芯子。

步骤五：制备金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构

所述金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构如图6所示，制备过程是：将制备完成后的点阵芯子与蒙皮组装起来，即将每个基座的单头方向的榫头插入蒙皮上的通孔中，并用环氧胶或者胶粘剂进行粘结，即制备出金字塔型复合材料三维点阵夹芯结构(图6)。

实施例2

在本实施例中，金字塔复合材料点阵夹芯结构的制备方法仅是步骤三与实施例1不同，具体的，步骤三采用真空辅助树脂注塑方法制备上、下蒙皮，方法如下：

选用玻璃或者薄金属板材作为垫板，用丙酮清洗表面去除污渍并喷涂脱模剂；将纤维干布逐层堆叠铺放，然后依次铺放隔离膜、脱模布和导流网，采用密封袋进行密封；用真空泵抽真空(真空压力为0.08MPa)，保压1小时后，注入树脂(乙烯基树脂或低粘度环氧树脂)，室温固化12小时后，取出纤维层合板制品并进行表面抛光，然后，预制相应的通孔，即可完成蒙皮板的制备。