[發明專利]一種連續纖維熱塑性復合材料點陣結構及制備工藝

在審

• 申請號: 201710910653.7
• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN107487001A
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發明（設計）人: 殷莎;陳昊宇;吳垚博;許駿
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B29C70/22
• 分類號: B29C70/22;B29B11/04;B29B11/12;B29B11/14
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明涉及一種連續纖維熱塑性復合材料點陣結構及制備工藝，屬于復合材料技術領域。

背景技術

由于能源與環境問題的日益嚴重，以及汽車工業對于二氧化碳排放量及材料可循環使用的嚴格法規要求，輕質可循環利用新材料的開發及應用是汽車行業可持續發展的重要保證，而先進熱塑性復合材料可以滿足這些要求。近年來，具有輕質高效結構形式及開放內部空間的點陣材料得到了空前的發展。纖維增強點陣復合材料比剛度與比強度高，空隙率大且相互連通,材料內部易于布線、埋置小型元器件、功能材料等,因此可實現熱控、儲能等多功能，達到結構功能一體化。目前的點陣復合材料主要以纖維增強熱固性復合材料為母體材料，制備工藝具有一些缺點，如批量生產比較困難、成本高且不易制備大尺寸結構件等難題。這些不足的存在限制了復合材料點陣結構在工程中的應用范圍。目前，對連續纖維增強熱塑性點陣復合材料的研究很少，僅有一種開口拉伸成型技術，但上下節點不平，因而與上下面板連接困難、工藝繁鎖，使得制造成本偏高。

中國專利201410369653.7，一種整體加固的單向纖維增強復合材料點陣夾芯板及其制備方法、201010202995.1整體加固的復合材料點陣夾芯板及其制備方法、201010202995.1局部加固的復合材料點陣夾芯板及其制備方法、201410128565.8木質工程復合材料點陣夾芯結構，上面幾篇專利和本發明的相似點在于，其結構和本發明的單胞構型都是點陣結構。但是上述四篇發明在于制備小批量點陣的方法，主要側重點在于加固方式。而本發明的側重點在于：由于使用了熱塑性的復合材料，依據熱塑性復合材料可以快速變形和冷卻固化的特點，提出了這種加熱沖壓的加工方式。這種加工方式可以進行自動化生產，快速大批量制備。所以對于本發明而言。除了保護點陣的單胞結構，著重需要突出這種加熱沖壓的自動化制備工藝。

發明內容

為了解決點陣復合材料現有的批量生產困難的問題，本發明提供一種連續纖維熱塑性復合材料點陣結構及制備工藝，利用熱塑性復合材料絲帶編織技術結合熱沖壓技術制備點陣復合材料結構的方法，實施簡單，制作方便，可以實現連續化大批量生產，大幅降低制作成本，使得復合材料點陣結構在汽車及航空航天領域工程應用中占有一席之地。

本發明技術解決方案：一種連續纖維熱塑性復合材料點陣結構，包括：點陣芯材，復合材料上面板和下面板，上下面板和點陣芯材由粘接連接，其特征在于：所述點陣芯材是由連續纖維編織網沖壓而成的，因此是由點陣單胞連續拓撲而成的。由此帶來的優勢是點陣芯材的母體材料纖維均是連續纖維，顯著增強了力學性能。而目前業內的點陣結構均為單獨點陣單胞拼接而成的，沒法做到整個芯材均為連續纖維。

本發明的一種連續纖維熱塑性復合材料點陣結構制備工藝，包括以下步驟：

(1)利用熱塑性絲帶預浸料，進行編織，形成網狀織物；絲帶所用基體可以為各類工程中常用的熱塑性基體；

(2)對網狀織物即將與壓頭接觸的部位進行局部加熱，然后采用壓頭進行沖壓，從而得到連續纖維熱塑性復合材料點陣結構芯材；

(3)將得到的所述點陣芯材與兩塊熱塑性復合材料面板加熱后粘接起來，形成連續纖維熱塑性點陣夾芯結構，所述的熱塑性復合材料的基體為各類熱塑性基體材料，各類熱塑性基體材料中的增強相采用碳纖維或者其他增強纖維，能夠使所述結構整體具有更強的沖擊韌性；還可以通過將所述連續纖維熱塑性復合材料點陣結構芯材與熱塑性復合材料面板交替層疊，制備多層型點陣夾芯結構；沖壓所得到的點陣芯材由點陣單胞拓撲排列所得。點陣單胞由多根支桿組合而成，點陣單胞尺寸由支桿長度和支桿組合方式決定。點陣單胞的幾何形狀可以被設計，主要通過兩個方式：一是支桿的幾何尺寸可以被設計，比如說支桿的長度和截面尺寸；二是支桿的組合方式可以被設計，比如說組合為金字塔形狀或者四面體形狀。

所述步驟(1)和(2)在工業生產線中通過相應加熱、沖壓工藝實現熱塑性復合材料點陣結構的連續生產。

所述步驟(1)中的熱塑性絲束預浸料為增強熱塑性樹脂，包括玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維。

所述步驟(1)中，所述網狀織物為格柵式網狀織物，格柵式網狀孔隙形式為六邊形或菱形。

所述步驟(2)中，連續纖維熱塑性復合材料點陣芯材具有柔性，能夠用于制備帶曲率的夾芯結構，所述帶曲率的夾芯結構包括圓筒、曲面殼。

所述步驟(2)中局部加熱溫度根據熱塑性基體材料的熔融溫度和結晶溫度確定，溫度范圍為180-220℃，優選190-200℃溫度。