專利名稱：高速列車用復合材料結構及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高速列車用復合材料結構。本發(fā)明還涉及所述復合材料結 構的制備方法。
背景技術：
歐洲專利申請說明書EP1619020A1公布了一種可用于高速列車車身制造的 輕質鋁面板泡沫夾芯結構。其結構細節(jié)是將鋁合金面板與聚氨酯泡沫塑料芯材 用膠粘劑粘接成三明治結構。該技術在應用中存在下列問題
1、 采用鋁合金面板，構件尺寸受到鋁合金薄板尺寸的限制，無法在面板連 續(xù)的情況下實現鋁面板的連接以及面板的變厚度設計；鋁面板的鉚接或焊接等 機械連接形式易產生應力集中，不利于結構的疲勞性能。
2、 高速行駛的高速列車外表面比飛機更易遭遇碎石、冰雹等近地面物體的 沖擊，因此需要鋁合金面板具有一定的厚度以抵抗沖擊的影響。雖然鋁合金面 板的抗沖擊性能優(yōu)于玻璃纖維增強樹脂(GFRP)面板，但由于具有一定厚度的 鋁合金板在大面積曲面的精確成型加工方面存在困難，難于用鋁面板/泡沬夾芯 復合結構制造具有復雜形狀的車身覆蓋件；
3、 成型泡沫夾芯結構時，面板的表面形狀必須與內層硬質泡沫的形狀完全 匹配，否則容易造成面板與芯材的粘接不良。如果需要對泡沫夾芯結構進行變 截面設計，這時，面板表面不是平面，該問題會更加突出；
4、 在需要局部增強的連續(xù)區(qū)域，無法在面板連續(xù)的情況下實現面板的變厚 度設計5、鉚接容易導致在結構連接區(qū)鋁合金薄板的疲勞破壞。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種能夠滿足車身在防火、曲面成型、連
接區(qū)域抗疲勞性能、減重、抗沖擊、防爆方面要求的高速列車用復合材料結構; 為此，本發(fā)明還要提供一種制造所述復合材料結構的方法。
為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種高速列車用復合材料結構，其由上 下兩層玻璃纖維增強鋁合金層板面板和夾在所述面板之間的泡沫芯材組成；而 且所述上下兩層玻璃纖維增強鋁合金層板面板和所述泡沬芯材之間通過膠粘劑 進行粘接。
為了使纖維增強金屬層板與泡沫夾芯復合材料更好的配合，本發(fā)明的制造 方法，包括如下步驟a.根據鋪層設計結果，在單面陽模上，通過高強玻璃纖 維預浸料與鋁合金薄板逐層鋪設的方式完成纖維增強鋁合金層板的鋪層；當大 面積構件尺寸超出鋁合金薄板的幅寬時，在需要連接處采取單元層間錯位搭接 的方式完成大面積層板的整體成型；b.選用真空輔助模壓工藝或熱壓罐工藝完 成上述纖維增強鋁合金層板的成型；亦可用真空袋包裹整個結構，抽真空后放 入烘箱進行熱固化；c.以已成型的纖維增強鋁合金層板為陽模，完成泡沫芯材 的找型、加工；d.完成泡沬芯材與上述纖維增強鋁合金層板的單側粘接，粘接 后纖維增強鋁合金層板成為夾芯結構的下面板；e.以已成型的上述半成品為陽 模，在泡沫芯材的另一面粘接一層鋁合金薄板；f.以步驟a相同的方法，逐層 鋪放高強玻璃纖維預浸料和鋁合金薄板，以形成結構的上面板；g.對通過上述 步驟成型的夾芯結構通過真空輔助模壓工藝或熱壓罐工藝進行固化成型。
對于結構的表面曲率變化不大的部件(如地板等平板結構)，本發(fā)明提供簡 化的一次共固化成型方法，包括如下步驟a.根據鋪層設計結果，在單面陽模上，通過高強玻璃纖維預浸料與鋁合金薄板逐層鋪設的方式分別完成用作結構 上、下面板的纖維增強鋁合金層板的鋪層；當大面積構件尺寸超出鋁合金薄板
的幅寬時，在需要連接處采取單元層間錯位搭接的方式完成大面積層板的整體
成型；b.根據所需厚度完成對板狀芯材的切割；c.將步驟a中完成鋪層的上、 下面板與芯材進行粘接；d.對步驟c形成的夾芯結構整體通過真空輔助模壓工 藝或熱壓罐工藝進行固化成型，或者用真空袋包裹整個結構，抽真空后放入烘 箱進行熱固化。
本發(fā)明由于采用纖維增強鋁合金面板替代原有的普通鋁合金面板，從而可 以在層板內部通過錯位拼接的形式實現大型面板的連續(xù)性。這樣可以減少進行 面板鉚接必將帶來的結構重量增加和對材料疲勞性能的影響。對于需要厚面板 的部件，尤其是表面形狀較復雜的部件，可以通過鋁合金層與玻璃纖維增強層 反復疊層的方法達到設計厚度，并可實現面板的連續(xù)變厚度設計。
由于纖維增強鋁層板的輕質高強、高疲勞性能、高沖擊損傷容限，在磁浮 車的疲勞關鍵部位、易受顆粒撞擊區(qū)域和連接區(qū)域采用本發(fā)明可提高結構的疲 勞和沖擊性能，降低結構的壽命周期費用。
由于玻璃纖維增強鋁合金層板比純鋁合金板的耐燃燒性能好，從而可以保 證在更長的燃燒時間內泡沫夾芯結構不喪失強度。


圖l是本發(fā)明的纖維增強金屬層板-泡沫夾芯復合材料結構的示意圖； 圖2是本發(fā)明的3/2型玻璃纖維增強鋁合金層板面板的錯層搭接圖。 其中l(wèi)為泡沫芯材；2為玻璃纖維增強鋁合金層板面板；3為高強玻璃纖維增 強環(huán)氧樹脂層板；4為鋁合金薄板。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
本發(fā)明的高速列車用復合材料結構如圖l所示，可分為上下玻璃纖維增強鋁
合金層板面板2和夾在上下玻璃纖維增強鋁合金層板面板2間的泡沬芯材1兩部 分。上下玻璃纖維增強鋁合金層板面板2在結構中主要承擔由彎矩引起的拉伸與 壓縮載荷，并保護內部的泡沫塑料不受外界沖擊損傷。兩者通過膠粘劑的作用， 結合為一體，共同承擔荷載，協(xié)同工作。泡沫芯材l在結構中的作用是承擔剪切 載荷，并分隔面板，提高結構抵抗彎曲變形的能力，同時支撐面板，防止薄板 受壓屈曲破壞。
本發(fā)明的上下面板為玻璃纖維增強鋁合金層板面板2 (如圖2所示)。玻璃 纖維增強鋁合金層板面板2為鋁合金薄板4與高強玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂 (Glass Fiber Reinforced Polymer/GFRP)層板3交替疊層而形成的夾層結構。 玻璃纖維增強鋁合金層板面板2上下表面為鋁合金薄板4。上下表面之間鋁合金 薄板4與高強玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂(GFRP)層板3交替出現。
單層鋁合金薄板4厚度為0. 2-0. 5ram，拉伸強度大于350MPa;高強玻璃纖 維增強環(huán)氧樹脂(GFRP)層板3的單層厚度為0. 1-0. 15mm，高強玻璃纖維模量 大于83GPa。玻璃纖維增強鋁合金層板面板2中的高強玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂
(GFRP)層板3可以根據對材料各方向性能的不同需要，調整個單向纖維的鋪 設角，進行纖維鋪層設計。而且，鋁合金薄板4和高強玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂
(GFRP)層板3各自的厚度，高強玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂(GFRP)層板3的纖 維體積含量，鋁合金薄板4和高強玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂(GFRP)層板3的層 數等因素均可根據需要進行調整。
泡沫芯材l采用硬質泡沫塑料，如聚醚酰亞胺(PEI)泡沫，聚甲基丙烯酰亞 胺泡沫(PMI)泡沬，或交聯聚氯乙烯(PVC)泡沬塑料等聚合物材料，厚度為15mm-60mm之間。面板與芯材之間的膠粘劑可選用環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、乙烯 基酯樹脂、丙烯酸酯類樹脂等結構膠粘劑。 本發(fā)明的制造方法包括以下步驟
a. 根據鋪層設計結果，在單面陽模上，通過高強玻璃纖維預浸料與鋁合金 薄板4逐層鋪設的方式完成玻璃纖維增強鋁合金層板的鋪層；當大面積構件尺 寸超出鋁合金薄板4的幅寬時，在需要連接處采取單元層間錯位搭接的方式完 成大面積層板的整體成型；
b. 選用真空輔助模壓工藝或熱壓罐工藝完成上述纖維增強鋁合金層板的成 型；亦可用真空袋包裹整個結構，抽真空后放入烘箱進行熱固化；
c. 以已成型的玻璃纖維增強鋁合金層板為陽模，完成泡沫芯材的找型、加
工；
d. 完成泡沫芯材與上述纖維增強鋁合金層板的單側粘接，粘接后纖維增強 鋁合金層板成為夾芯結構的下面板；
e. 以已成型的上述半成品為陽模，在泡沫芯材的另一面粘接一層鋁合金薄
板；
f. 以步驟a相同的方法，逐層鋪放高強玻璃纖維預浸料和鋁合金薄板，以 形成結構的上面板；
g. 對通過上述步驟成型的夾芯結構通過真空輔助模壓工藝或熱壓罐工藝進 行固化成型。
這種方式可以避免在熱成型曲面構件時因熱應力造成變形，從而對面板和 泡沫芯材的粘接效果產生不良影響，實現大曲率車身結構成型。
對于平面構件的成型，可采用上下面板的鋪層及與芯材的粘接一次完成， 然后整體固化成型的簡化工藝路徑，包括如下步驟-a. 根據鋪層設計結果，在單面陽模上，通過高強玻璃纖維預浸料與鋁合金
薄板逐層鋪設的方式分別完成用作結構上、下面板的纖維增強鋁合金層板的鋪
層；當大面積構件尺寸超出鋁合金薄板的幅寬時，在需要連接處采取單元層間 錯位搭接的方式完成大面積層板的整體成型；
b. 根據所需厚度完成對板狀芯材的切割；
c. 將步驟a中完成鋪層的上、下面板與芯材進行粘接；
d. 對步驟c形成的夾芯結構整體通過真空輔助模壓工藝或熱壓罐工藝進行 固化成型，或者用真空袋包裹整個結構，抽真空后放入烘箱進行熱固化。
實施例一 車頭下部結構中的地板蓋
用本發(fā)明的纖維增強鋁面板泡沫夾芯結構制造這些地板蓋。采用3/2鋪層 的玻璃纖維增強鋁合金層板面板2為上面板，板中含三層各0. 3mm厚的鋁合金 薄板4和兩層各0. 2mm厚的高強玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂(GFRP)層板3，其總厚 度為1.3mm; 4/3鋪層的玻璃纖維增強鋁合金層板面板2為下面板，板中含四層 各0. 3mm厚的鋁合金薄板4和三層各0. 2mm厚的高強玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂 (GFRP)層板3，其總厚度為2mm。這樣可以得到滿足結構性能要求而抗沖擊性 能更優(yōu)的制品。
權利要求
1、一種高速列車用復合材料結構，其特征在于由上下兩層玻璃纖維增強鋁合金層板面板和夾在所述面板之間的泡沫芯材組成；而且所述上下兩層玻璃纖維增強鋁合金層板面板和所述泡沫芯材之間通過膠粘劑進行粘接。
2、 如權利要求l所述的高速列車用復合材料結構，其特征在于所述玻璃 纖維增強鋁合金層板面板為由鋁合金薄板與高強玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂層板交 替疊層而形成的夾層結構；且所述玻璃纖維增強鋁合金層板面板的上下表面為 鋁合金薄板。
3、 如權利要求2所述的高速列車用復合材料結構，其特征在于所述鋁合 金薄板的厚度為O. 2-0. 5mm,拉伸強度大于350MPa;所述高強玻璃纖維增強環(huán)氧 樹脂層板的單層厚度為O. 1-0. 15mm，玻璃纖維模量大于83GPa。
4、 如權利要求l所述的高速列車用復合材料結構，其特征在于所述泡沬 芯材為硬質泡沫塑料。
5、 如權利要求l所述的高速列車用復合材料結構，其特征在于所述泡沫 芯材為聚醚酰亞胺，聚甲基丙烯酰亞胺，或交聯聚氯乙烯泡沫塑料。
6、 如權利要求l所述的高速列車用復合材料結構，其特征在于所述泡沫 芯材的厚度為15咖-60腿之間。
7、 如權利要求l所述的高速列車用復合材料結構，其特征在于所述膠粘 劑為結構膠粘劑。
8、 如權利要求l所述的高速列車用復合材料結構，其特征在于所述膠粘 劑為環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、乙烯基酯樹脂或丙烯酸酯樹脂。
9、 權利要求l所述的高速列車用復合材料結構的制造方法，其特征在于， 包括如下步驟a. 根據鋪層設計結果，在單面陽模上，通過高強玻璃纖維預浸料與鋁合金 薄板逐層鋪設的方式完成纖維增強鋁合金層板的鋪層；當大面積構件尺寸超出 鋁合金薄板的幅寬時，在需要連接處采取單元層間錯位搭接的方式完成大面積 層板的整體成型；b. 選用真空輔助模壓工藝或熱壓罐工藝完成上述纖維增強鋁合金層板的成 型；亦可用真空袋包裹整個結構，抽真空后放入烘箱進行熱固化；c. 以已成型的纖維增強鋁合金層板為陽模，完成泡沬芯材的找型、加工；d. 完成泡沫芯材與上述纖維增強鋁合金層板的單側粘接，粘接后纖維增強 鋁合金層板成為夾芯結構的下面板；e. 以己成型的上述半成品為陽模，在泡沬芯材的另一面粘接一層鋁合金薄板；f. 以步驟a相同的方法，逐層鋪放高強玻璃纖維預浸料和鋁合金薄板，以 形成結構的上面板；g. 對通過上述步驟成型的夾芯結構通過真空輔助模壓工藝或熱壓罐工藝進 行固化成型。
10、權利要求1所述的高速列車用復合材料結構的制造方法，其特征在于， 包括如下步驟-a. 根據鋪層設計結果，在單面陽模上，通過高強玻璃纖維預浸料與鋁合金 薄板逐層鋪設的方式分別完成用作結構上、下面板的纖維增強鋁合金層板的鋪 層；當大面積構件尺寸超出鋁合金薄板的幅寬時，在需要連接處采取單元層間 錯位搭接的方式完成大面積層板的整體成型；b. 根據所需厚度完成對板狀芯材的切割；c. 將步驟a中完成鋪層的上、下面板與芯材進行粘接；d.對步驟C形成的夾芯結構整體通過真空輔助模壓工藝或熱壓罐工藝進行 固化成型，或者用真空袋包裹整個結構，抽真空后放入烘箱進行熱固化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速列車用復合材料及其制造方法。采用由上下兩層玻璃纖維增強鋁合金層板面板替代現有技術的單純鋁合金面板，并在玻璃纖維增強鋁合金層板面板內部通過鋁合金薄板和高強玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂層板進行錯位拼接的形式實現大型面板的連續(xù)性，并擁有輕質、高強、高疲勞性能、高沖擊損傷容限，高耐燃燒性能等優(yōu)良品質。
文檔編號B60R13/08GK101289017SQ20071003958
公開日2008年10月22日 申請日期2007年4月18日 優(yōu)先權日2007年4月18日
發(fā)明者李文曉, 薛元德 申請人:上海磁浮交通工程技術研究中心