阅读说明：本技术 泡沫夹芯复合结构的制备方法及其结构 (Preparation method of foam sandwich composite structure and structure thereof ) 是由 乔光辉 刘卫生 张振聪 黄辉秀 于永峰 其他发明人请求不公开姓名 于 2020-08-26 设计创作，主要内容包括：一种泡沫夹芯复合结构的制备方法及其结构,涉及复合结构技术领域；该泡沫夹芯复合结构的制备方法及其结构包括：加工槽：沿芯材层的厚度方向,在芯材层的第一表面加工深槽,在所述芯材层的第二表面加工浅槽,所述深槽与所述浅槽相交,且所述深槽的深度大于所述浅槽的深度；其中,所述芯材层沿自身的厚度方向包括相对应的第一表面和第二表面；铺设蒙皮：在所述芯材层的第一表面铺设第一蒙皮,在所述芯材层的第二表面铺设第二蒙皮；成型：采用树脂固化工艺成型,得到泡沫夹芯复合结构；其中,所述深槽和所述浅槽内均填充有固化的树脂。本发明的目的在于提供一种泡沫夹芯复合结构的制备方法及其结构,以在一定程度上提高抗弯抗剪性能。(A preparation method of a foam sandwich composite structure and a structure thereof relate to the technical field of composite structures; the preparation method and the structure of the foam sandwich composite structure comprise the following steps: processing a tank: processing a deep groove on a first surface of a core material layer and a shallow groove on a second surface of the core material layer along the thickness direction of the core material layer, wherein the deep groove is intersected with the shallow groove, and the depth of the deep groove is greater than that of the shallow groove; wherein the core material layer comprises a first surface and a second surface corresponding to each other along the thickness direction of the core material layer; laying a skin: laying a first skin on the first surface of the core material layer, and laying a second skin on the second surface of the core material layer; molding: adopting a resin curing process for molding to obtain a foam sandwich composite structure; wherein the deep groove and the shallow groove are both filled with cured resin. The invention aims to provide a preparation method of a foam sandwich composite structure and the structure thereof, so as to improve the bending resistance and the shearing resistance to a certain extent.)

泡沫夹芯复合结构的制备方法及其结构

技术领域

本发明涉及复合结构技术领域，具体而言，涉及一种泡沫夹芯复合结构的制备方法及其结构。

背景技术

闭孔硬质泡沫作为夹层，由于具有轻质、高弯曲刚度和易于成型的特点，而广泛应用于大型风电叶片、船舶和航空器等大型结构上。由于泡沫自身的刚性和强度较低，因而在实际应用时，需要对其进行强化，以使闭孔硬质泡沫作为夹层具有更好的抗弯抗剪性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种泡沫夹芯复合结构的制备方法及其结构，以在一定程度上提高抗弯抗剪性能。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种泡沫夹芯复合结构的制备方法；该制备方法包括：

加工槽：沿芯材层的厚度方向，在所述芯材层的第一表面加工深槽，在所述芯材层的第二表面加工浅槽，所述深槽与所述浅槽相交，且所述深槽的深度大于所述浅槽的深度；其中，所述芯材层沿自身的厚度方向包括相对应的第一表面和第二表面；

铺设蒙皮：在所述芯材层的第一表面铺设第一蒙皮，在所述芯材层的第二表面铺设第二蒙皮；

成型：采用树脂固化工艺成型，得到泡沫夹芯复合结构；其中，所述深槽和所述浅槽内均填充有固化的树脂。

在上述任一技术方案中，可选地，沿所述芯材层的厚度方向，所述深槽与所述浅槽至少相交1mm-4mm。

在上述任一技术方案中，可选地，在所述芯材层的第一表面加工呈网格状的所述深槽；

在所述芯材层的第二表面加工呈网格状的所述浅槽；

在与所述芯材层的厚度垂直的平面上，所述深槽与所述浅槽交错设置。

在上述任一技术方案中，可选地，步骤“加工槽”还包括：沿所述芯材层的厚度方向，在所述芯材层的第一表面加工通孔；其中所述通孔与呈网格状的所述浅槽的交叉处连通。

在上述任一技术方案中，可选地，在步骤“成型”中，采用树脂固化工艺成型为采用VaRTM成型法成型；

和/或，步骤“铺设蒙皮”还包括：在所述第一蒙皮或者所述第二蒙皮远离所述芯材层的表面铺设玻纤布。

在上述任一技术方案中，可选地，所述芯材层采用的材料为PVC泡沫、PET泡沫、PS泡沫、HPE泡沫或者PMI泡沫；

和/或，所述第一蒙皮和所述第二蒙皮的材质均为玻璃纤维。

一种泡沫夹芯复合结构包括第一蒙皮、芯材层、加强填充体和第二蒙皮；所述芯材层设置在所述第一蒙皮和所述第二蒙皮之间；

所述芯材层沿自身的厚度方向包括相对应的第一表面和第二表面；所述芯材层的第一表面设置有深槽，所述芯材层的第二表面设置有浅槽，所述深槽与所述浅槽相交，且所述深槽的深度大于所述浅槽的深度；

所述深槽和所述浅槽内均填充有所述加强填充体；

所述加强填充体的强度大于所述芯材层的强度。

在上述任一技术方案中，可选地，沿芯材层的厚度方向，所述深槽与所述浅槽至少相交1mm-4mm。

在上述任一技术方案中，可选地，所述深槽包括横向深槽部和纵向深槽部，所述横向深槽部和所述纵向深槽部交叉形成网格状；

所述浅槽包括横向浅槽部和纵向浅槽部，所述横向浅槽部和所述纵向浅槽部交叉形成网格状；

在与所述芯材层的厚度垂直的平面上的投影，所述横向深槽部与所述横向浅槽部不重合，所述纵向深槽部与所述纵向浅槽部不重合。

在上述任一技术方案中，可选地，沿所述芯材层的厚度方向，所述芯材层的第一表面设置有通孔；所述横向浅槽部和所述纵向浅槽部的交叉处，与所述通孔连通；

所述通孔内填充有所述加强填充体；

所述芯材层采用的材料为PVC泡沫、PET泡沫、PS泡沫、HPE泡沫或者PMI泡沫；

所述第一蒙皮和所述第二蒙皮的材质均为玻璃纤维；

所述加强填充体的材质为树脂。

本发明的有益效果主要在于：

本发明提供的泡沫夹芯复合结构的制备方法及其结构，其在芯材层的第一表面加工深槽，在芯材层的第二表面加工浅槽，深槽与浅槽相交且深槽的深度大于浅槽的深度，通过采用树脂固化工艺成型，以在深槽和浅槽内均填充有树脂，进而得到泡沫夹芯复合结构；该泡沫夹芯复合结构的树脂能够连接形成整体，极大提高了泡沫夹芯复合结构的抗弯抗剪性能。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的泡沫夹芯复合结构的芯材层的主视图；

图2为图1所示的芯材层的左视图；

图3为本发明实施例提供的芯材层的立体图；

图4为本发明实施例提供的深槽、浅槽和通孔内填充的树脂的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的深槽与浅槽相交深度对泡沫夹芯复合结构的剪切模量的示意图。

图标：100-芯材层；110-深槽；120-浅槽；130-通孔；200-加强填充体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以采用各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例

本实施例提供一种泡沫夹芯复合结构的制备方法及其结构；请参照图1-图5，图1为本实施例提供的芯材层的主视图，图2为图1所示的芯材层的左视图；图3为本实施例提供的芯材层的立体图；图4为本实施例提供的深槽、浅槽和通孔内填充的树脂的结构示意图，也即图中所示结构为加强填充体。图5为本实施例提供的深槽与浅槽相交深度对泡沫夹芯复合结构的剪切模量的示意图，示出了深槽与浅槽相交深度对泡沫夹芯复合结构的剪切模量的影响。

本实施例提供的泡沫夹芯复合结构的制备方法，用于制备泡沫夹芯复合结构，尤其用于大型复合材料结构件的泡沫夹芯复合结构的制造。

参见图1-图4所示，该泡沫夹芯复合结构的制备方法包括：

加工槽：沿芯材层100的厚度方向，在芯材层100的第一表面加工深槽110，在芯材层100的第二表面加工浅槽120，深槽110与浅槽120相交，且深槽110的深度大于浅槽120的深度；其中，芯材层100沿自身的厚度方向包括相对应的第一表面和第二表面；可选地，芯材层100的第一表面为上表面，芯材层100的第二表面为下表面；反之亦可。可选地，在芯材层100的第一表面切割成设计所需的深槽110，在芯材层100的第二表面切割成设计所需的浅槽120。

铺设蒙皮：在芯材层100的第一表面铺设第一蒙皮，在芯材层100的第二表面铺设第二蒙皮。可选地，第一蒙皮和第二蒙皮的材质均为玻璃纤维，或者其他材料。

成型：采用树脂固化工艺成型，得到泡沫夹芯复合结构；其中，深槽110和浅槽120内均填充有固化的树脂，以形成加强填充体200。通过采用树脂固化工艺成型，以使深槽110和浅槽120内均填充有树脂，形成加强填充体200；通过深槽110与浅槽120相交，以使位于深槽110内的树脂与位于浅槽120内的树脂连接在一起，极大提高了芯材层100的连接强度、弯曲刚度，剪切刚度及抗压性能，进而提高了泡沫夹芯复合结构的连接强度、弯曲刚度，剪切刚度及抗压性能。

可选地，步骤“加工槽”还包括：沿芯材层100的厚度方向，在芯材层100的第一表面加工通孔130。可选地，在芯材层100的第一表面切割成设计所需的通孔130。可选地，通孔130与浅槽120连通，以提高芯材层100的上下贯通的导流性能，以加速树脂流入浅槽120。可选地，通孔130与呈网格状的浅槽120的交叉处连通，以进一步提高芯材层100的上下贯通的导流性能，以进一步加速树脂流入浅槽120。

可选地，步骤“铺设蒙皮”还包括：在第一蒙皮或者第二蒙皮远离芯材层100的表面铺设玻纤布。通过在第一蒙皮或者第二蒙皮外加铺一层玻纤布，以在一定程度上防止泡沫夹芯复合结构断裂，以保持泡沫夹芯复合结构的完整性，进而保障泡沫夹芯复合结构的抗压、抗拉、抗剪、抗弯等力学性能。

可选地，在步骤“成型”中，采用树脂固化工艺成型为采用VaRTM成型法成型；VaRTM，全称Vacuum assisted Resin Transfer Molding，中文名为真空辅助树脂传递模塑。VaRTM成型法比较适合于大型复合材料构件的制造。

本实施例中所述泡沫夹芯复合结构的制备方法，其在芯材层100的第一表面加工深槽110，在芯材层100的第二表面加工浅槽120，深槽110与浅槽120相交且深槽110的深度大于浅槽120的深度，通过采用树脂固化工艺成型，以在深槽110和浅槽120内均填充有树脂，进而得到泡沫夹芯复合结构；该泡沫夹芯复合结构的树脂能够连接形成整体，极大提高了泡沫夹芯复合结构的抗弯抗剪性能。

参见图1-图4所示，本实施例的可选方案中，沿芯材层100的厚度方向，深槽110与浅槽120至少相交1mm-4mm。也即深槽110与浅槽120内填充的树脂至少交叉1mm-4mm。

例如，沿芯材层100的厚度方向，深槽110与浅槽120至少相交1mm、2.5mm、3mm或4mm。深槽110与浅槽120相交的具体尺寸可依据泡沫夹芯复合结构的厚度、力学性能等因素而定。

参见图1-图4所示，本实施例的可选方案中，在芯材层100的第一表面加工呈网格状的深槽110；也即芯材层100的第一表面具有呈网格状的深槽110；在芯材层100的第二表面加工呈网格状的浅槽120；也即芯材层100的第二表面具有呈网格状的浅槽120。

可选地，在与芯材层100的厚度垂直的平面上，深槽110与浅槽120交错设置。可以理解为在与芯材层100的厚度垂直的平面上，深槽110的投影与浅槽120的投影不完全重合。通过浅槽120和深槽110均呈网格状，以使填充在浅槽120和深槽110内的树脂呈网格状，也即树脂为特殊形状的格栅结构，如图4所示，以强化泡沫夹芯复合结构。由于树脂的强度要高于采用泡沫的芯材层100的强度，网格状结构的树脂会提高泡沫夹芯复合结构的抗压、抗拉、抗剪、抗弯等力学性能。

例如，可选地，深槽110包括横向深槽部和纵向深槽部，横向深槽部和纵向深槽部交叉形成呈网格状的深槽110；浅槽120包括横向浅槽部和纵向浅槽部，横向浅槽部和纵向浅槽部交叉形成呈网格状的浅槽120；在与芯材层100的厚度垂直的平面上的投影，横向深槽部与横向浅槽部不重合，纵向深槽部与纵向浅槽部不重合。

可选地，所有的横向深槽部平行，以便于深槽110的加工。

可选地，所有的纵向深槽部平行，以便于深槽110的加工。

可选地，所有的横向浅槽部平行，以便于浅槽120的加工。

可选地，所有的纵向浅槽部平行，以便于浅槽120的加工。

可选地，横向深槽部与横向浅槽部平行，以便于深槽110与浅槽120的加工。

可选地，纵向深槽部与纵向浅槽部平行，以便于深槽110与浅槽120的加工。

本实施例的可选方案中，芯材层100采用的材料为PVC泡沫、PET泡沫、PS泡沫、HPE泡沫或者PMI泡沫，或者其他材料。

需要说明的是，PVC泡沫又称聚氯乙烯泡沫；聚氯乙烯的英文简称PVC，英文全称为Polyvinyl chloride。

PET泡沫的主要成分是聚对苯二甲酸乙二醇酯(英文全称为Polyethyleneterephthalate，英文简称为PET)；PET泡沫芯材具有良好的剪切性能。

PS泡沫的主要成分为聚苯乙烯(英文全称为Polystyrene，英文简称为PS)。

HPE泡沫的主要成分为高氯化聚乙烯(英文全称为highchlorinatedpolyethylene)。

PMI泡沫又称聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。

现有技术中，泡沫自身的刚性和强度较低，因而在实际应用时，需要对其进行强化，以使闭孔硬质泡沫作为夹层具有更好的抗弯抗剪性能。现有技术中，强化闭孔硬质泡沫一种可行的方式是对泡沫进行开槽和打孔，通过填充树脂固化形成格栅结构来进行性能强化，以形成泡沫夹芯复合结构。由于其加工和组合形式的多样性，因而也就可能形成性能差异极大的泡沫夹芯复合结构。例如大型风电叶片，叶片蒙皮大量使用了泡沫夹芯复合结构；这些泡沫都需要进行开槽和打孔，不仅仅是提供树脂流动的通道，也是要形成特定的树脂结构以增强夹芯复合结构。对于大型复合材料结构件来说其通常要承受长期的疲劳和交变载荷，这就要求泡沫夹芯复合结构具有抗屈曲抗失稳以及抗疲劳的特性。合理的开槽与打孔方式可以形成特定的树脂格栅结构，能够强化泡沫，并获得良好的性能平衡，兼顾静态载荷与疲劳载荷。而不合理的处理，有可能使得夹芯复合结构出现局部屈曲与失稳的问题。设计合理的格栅结构是泡沫夹芯复合结构在大型复合材料结构件上应用的关键。

当前使用的泡沫夹芯复合结构大多包括在表面设置的深槽、浅槽和通孔。因加工工艺原因，泡沫夹芯复合结构的上表面开设的深槽无法开到底，即深槽的槽底与泡沫夹芯复合结构的下表面之间预留有一定厚度，例如深槽的槽底与泡沫夹芯复合结构的下表面之间留有小于5mm的厚度；若深槽开到底，则泡沫夹芯复合结构割裂成碎块，泡沫夹芯复合结构的完整性得不到保证，影响泡沫夹芯复合结构的抗剪抗弯及抗压等性能。因而在泡沫夹芯复合结构的下表面开设浅槽。现有工艺中，浅槽与深槽不相连，只起平面内导流作用。

本实施例所述的泡沫夹芯复合结构的浅槽和深槽相交，相交的长度可以根据需要设计；浅槽和深槽内填充树脂，使树脂形成网格状的立体结构，由于树脂的强度要高于采用泡沫的芯材层的强度，树脂网格状的结构会极大提高泡沫夹芯复合结构的抗压、抗拉、抗剪、抗弯等力学性能。进一步的，芯材层也可以保留打孔，进一步提高芯材层的上下贯通的导流性能。

本实施例所述的泡沫夹芯复合结构，通过浅槽和深槽相交，在保持原来开槽方式的变形能力、双面树脂导流性能的同时，大幅度提升泡沫夹芯复合结构的抗弯、抗剪、抗失稳、抗压能力，还具有良好的疲劳特性。该泡沫夹芯复合结构，可用于代替自然生长的轻木材料，例如替代风电叶片上使用的轻木；该泡沫夹芯复合结构的材料性能更加稳定，可减少风电叶片等对自然材料的需求，更具有环保意义，也让设计选材更从容，增加了设计技术储备。

与现有技术相比，本实施例所述的泡沫夹芯复合结构，通过深槽110与浅槽120相交，以在深槽110和浅槽120内填充的树脂为连接形成整体的树脂，极大提高了泡沫夹芯复合结构的弯曲刚度、剪切刚度及抗压性能。参见图5所示，图中示出了深槽110与浅槽120相交深度对泡沫夹芯复合结构的剪切模量的影响；图中深槽留底1mm是指在芯材层100的第一表面加工的深槽110的槽底距离芯材层100的第二表面的距离为1mm；图中横轴为浅槽深度，可以看出随着浅槽深度从0增加到5mm，剪切模量也在随之增大；有实验数据显示，与现有的深槽与浅槽不存在相交的泡沫夹芯复合结构相比，本实施例所述的泡沫夹芯复合结构的剪切模量可提高41％以上。本实施例所述的泡沫夹芯复合结构极大提高了其作为夹层板的弯曲刚度、剪切刚度及抗压性能，可用于承受较大载荷的大型复合材料结构件的关键区域，减少了结构件的局部屈曲、失稳及压溃的风险。

本实施例还提供一种泡沫夹芯复合结构，由上述的泡沫夹芯复合结构的制备方法加工而成；上述所公开的泡沫夹芯复合结构的制备方法的技术特征也适用于该泡沫夹芯复合结构，上述已公开的泡沫夹芯复合结构的制备方法的技术特征不再重复描述。本实施例中所述泡沫夹芯复合结构具有上述泡沫夹芯复合结构的制备方法的优点，上述所公开的所述泡沫夹芯复合结构的制备方法的优点在此不再重复描述。同理，本实施例所公开的泡沫夹芯复合结构的技术特征也适用于该泡沫夹芯复合结构的制备方法，本实施例中所述泡沫夹芯复合结构的制备方法具有上述泡沫夹芯复合结构的优点。

参见图1-图4所示，该泡沫夹芯复合结构包括第一蒙皮、芯材层100、加强填充体200和第二蒙皮；芯材层100设置在第一蒙皮和第二蒙皮之间。

芯材层100沿自身的厚度方向包括相对应的第一表面和第二表面；芯材层100的第一表面设置有深槽110，芯材层100的第二表面设置有浅槽120，深槽110与浅槽120相交，且深槽110的深度大于浅槽120的深度。

深槽110和浅槽120内均填充有加强填充体200。

加强填充体200的强度大于芯材层100的强度。该泡沫夹芯复合结构，通过深槽110与浅槽120相交，以在深槽110和浅槽120内填充的加强填充体200为连接形成整体的加强填充体200，极大提高了泡沫夹芯复合结构的弯曲刚度、剪切刚度及抗压性能。

可选地，芯材层100采用的材料为PVC泡沫、PET泡沫、PS泡沫、HPE泡沫或者PMI泡沫，或者其他材料。

可选地，第一蒙皮和第二蒙皮的材质均为玻璃纤维，或者其他材料。

可选地，加强填充体200的材质为树脂，或者类似树脂的材料。

本实施例的可选方案中，沿芯材层100的厚度方向，深槽110与浅槽120至少相交1mm-4mm。也即深槽110与浅槽120内填充的加强填充体200至少交叉1mm-4mm。

本实施例的可选方案中，深槽110包括横向深槽部和纵向深槽部，横向深槽部和纵向深槽部交叉形成网格状；加强填充体200与深槽110相对应的部分也呈网格状、格栅状。

浅槽120包括横向浅槽部和纵向浅槽部，横向浅槽部和纵向浅槽部交叉形成网格状；加强填充体200与浅槽120相对应的部分也呈网格状、格栅状。

在与芯材层100的厚度垂直的平面上的投影，横向深槽部与横向浅槽部不重合，纵向深槽部与纵向浅槽部不重合。

参见图1-图4所示，本实施例的可选方案中，沿芯材层100的厚度方向，芯材层100的第一表面设置有通孔130；横向浅槽部和纵向浅槽部的交叉处，与通孔130连通；通孔130与呈网格状的浅槽120的交叉处连通；通孔130内填充有加强填充体200；通过通孔130与浅槽120的横向浅槽部和纵向浅槽部的交叉处连通，以提高芯材层100的上下贯通的导流性能，以加速树脂流入浅槽120而形成加强填充体200。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。