本發(fā)明屬于纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)中以泡沫為夾芯層的筒/柱狀結(jié)構(gòu)件，尤其是一種增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒及其制備方法。

背景技術(shù)：

工程領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)急支撐構(gòu)件一般采用金屬材料制作，其自重大、人工搬運(yùn)與作業(yè)不方便。纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、耐腐蝕等特征，由其作為蒙皮，然后在兩蒙皮中間用密度低、厚度大的芯層隔開(kāi)所構(gòu)成的復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)具有抗彎剛度大的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，且兼有吸能、隔熱等功能性特點(diǎn)，使其在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

與諸多復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)相比，泡沫夾芯結(jié)構(gòu)具有制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，適合在土木工程領(lǐng)域內(nèi)推廣使用。復(fù)合材料泡沫夾芯筒可以制備支撐柱而在土木工程應(yīng)急救援領(lǐng)域使用。在軸向荷載作用下，由于泡沫材料的剛度較低，對(duì)復(fù)合材料蒙皮的支撐能力較弱，復(fù)合材料蒙皮容易發(fā)生局部屈曲，而且泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的面芯結(jié)合強(qiáng)度一般較弱，容易出現(xiàn)面芯脫粘。這兩種缺陷導(dǎo)致復(fù)合材料泡沫夾芯筒承載效率較低，無(wú)法滿足大承載要求。且目前復(fù)合材料泡沫夾芯筒的制備工藝以手糊工藝為主，只能制作小尺寸構(gòu)件，且性能不穩(wěn)定，操作復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒及其制備方法，本發(fā)明克服了復(fù)合材料泡沫夾芯筒面芯脫粘與面板局部屈曲的問(wèn)題，提供一種在不顯著提升結(jié)構(gòu)自重的前提下，大幅度提升復(fù)合材料夾芯筒的承載效率的增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒，同時(shí)提供一種操作簡(jiǎn)單、成本低廉、性能穩(wěn)定的增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒的制備方法。

為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒，包括復(fù)合材料外蒙皮、復(fù)合材料內(nèi)蒙皮，以及設(shè)置在兩者之間的圓筒形芯層，芯層的內(nèi)、外兩側(cè)表面上均勻分布有若干凹槽，且凹槽中安裝有復(fù)合材料筋條，凹槽與復(fù)合材料筋條沿芯層的軸向方向設(shè)置。

本發(fā)明進(jìn)一步限定的技術(shù)方案是：

前述芯層為泡沫材料制成，且芯層由至少三塊泡沫圓弧片環(huán)向拼接而成。

前述復(fù)合材料外蒙皮和復(fù)合材料內(nèi)蒙皮均由纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)成，纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料包括第一增強(qiáng)材料和樹(shù)脂。第一增強(qiáng)材料包括玻璃纖維雙軸布、玻璃纖維多軸布、碳纖維雙軸布、碳纖維多軸布、玄武巖纖維布和芳綸纖維布中的一種或多種。

前述復(fù)合材料筋條為單向纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)成，單向纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料包括第二增強(qiáng)材料和樹(shù)脂。第二增強(qiáng)材料包括單向玻璃纖維布、玻璃纖維絲、單向碳纖維布、碳纖維絲、單向玄武巖纖維布、玄武巖纖維絲、單向芳綸纖維布和芳綸纖維絲中的一種或多種。

前述樹(shù)脂包括環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和聚氨酯樹(shù)脂中的一種或多種。

前述泡沫圓弧片為PVC泡沫、PMI泡沫、PU泡沫或PEI泡沫。

前述復(fù)合材料外蒙皮和合材料內(nèi)蒙皮的厚度相同，復(fù)合材料筋條的圓周寬度略小于凹槽的寬度、其徑向?qū)挾扰c凹槽的深度相同。

增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒的內(nèi)半徑為100-500mm；增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒的高度為1000-4000mm；復(fù)合材料內(nèi)蒙皮與復(fù)合材料外蒙皮的厚度相同，厚度為10-20mm；泡沫圓弧片的厚度為10-60mm；凹槽的寬度為4-20mm，深度為2-10mm；復(fù)合材料筋條的圓周寬度比凹槽小1mm，徑向?qū)挾扰c凹槽深度相同。

本申請(qǐng)中復(fù)合材料內(nèi)蒙皮、復(fù)合材料外蒙皮、泡沫圓弧片、筋條的尺寸和材料均可按照實(shí)際要求進(jìn)行選定與設(shè)計(jì)。

進(jìn)一步的，

本發(fā)明還提供了一種增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒的制備方法，包括如下具體步驟：

㈠準(zhǔn)備泡沫圓弧片：預(yù)先在泡沫圓弧片內(nèi)、外側(cè)表面上進(jìn)行刻槽處理，用于放置復(fù)合材料筋條；

㈡加筋：直接在泡沫圓弧片內(nèi)、外側(cè)表面的凹槽內(nèi)布置單向纖維布，或者在泡沫圓弧片內(nèi)、外側(cè)表面的凹槽內(nèi)布置已固化的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料筋條；

㈢準(zhǔn)備預(yù)成型體：首先在增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒模具上涂抹脫模劑，然后在模具上依次包裹內(nèi)蒙皮的增強(qiáng)材料、加筋后的圓筒形芯層、外蒙皮的增強(qiáng)材料，得到預(yù)成型體；

㈣組裝VARI成型系統(tǒng)：在步驟㈢得到的預(yù)成型體上，依次纏繞脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)，并布置樹(shù)脂導(dǎo)流管、抽氣管，然后將上述預(yù)成型體、脫模布及導(dǎo)流網(wǎng)用真空袋封裝，并布置樹(shù)脂導(dǎo)流管、抽氣管包裹覆蓋，形成密封環(huán)境；

㈤注膠與共固化：抽真空，檢查氣密性完好后灌注調(diào)配好的樹(shù)脂，固化成型。

㈥后處理：采用頂推法將模具從固化后的成型體中取出來(lái)，脫除成型體上的真空袋、導(dǎo)流管、導(dǎo)流網(wǎng)、及脫模布，即可得到增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明在復(fù)合材料內(nèi)、外蒙皮與泡沫圓弧片表面之間引入了復(fù)合材料筋條，該復(fù)合材料筋條與復(fù)合材料內(nèi)、外蒙皮、PVC泡沫經(jīng)樹(shù)脂粘結(jié)固化，形成有機(jī)整體，該復(fù)合材料筋條可作為復(fù)合材料內(nèi)、外蒙皮的加強(qiáng)筋，能夠有效的防止復(fù)合材料內(nèi)、外蒙皮發(fā)生局部屈曲，更有效的將復(fù)合材料蒙皮的強(qiáng)度發(fā)揮出來(lái)。

并且，在泡沫圓弧片表面刻制了凹槽，且凹槽的圓周寬度比復(fù)合材料筋條的寬度大1mm，凹槽內(nèi)空余的縫隙可作為VARTM成型中樹(shù)脂流動(dòng)的通道，使樹(shù)脂更加均勻的浸潤(rùn)增強(qiáng)材料，保證面、芯之間結(jié)合完好，進(jìn)而提高了面、芯結(jié)合的強(qiáng)度；同時(shí)，凹槽內(nèi)的復(fù)合材料筋條嵌入泡沫圓弧片內(nèi)，與其形成機(jī)械咬合作用，使蒙皮與泡沫圓弧片連接更加緊密；因此引入復(fù)合材料筋條后，可賦予增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒很高的面、芯結(jié)合強(qiáng)度。此外，復(fù)合材料筋條其自身具備高強(qiáng)度比、高剛度比的特點(diǎn)，布置方向與受力方向一致，因此復(fù)合材料筋條自身能夠有效的分擔(dān)外荷載，起到提升增強(qiáng)型泡沫夾芯筒的整體承載能力效果。

本發(fā)明提供的制備方法中采用真空輔助樹(shù)脂灌注技術(shù)使復(fù)合材料蒙皮與復(fù)合材料筋條浸潤(rùn)樹(shù)脂均勻，同時(shí)成型件的固化壓力均勻，保證了各組分緊密貼合，因此制成的增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒的面、芯結(jié)合效果好，無(wú)明顯缺陷，且該制備方法成本低廉、操作簡(jiǎn)便。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒在復(fù)合材料蒙皮與芯層之間引入了復(fù)合材料筋條，能夠有效的克服復(fù)合材料面板局部屈曲與面芯脫粘的問(wèn)題，能夠更好的發(fā)揮出復(fù)合材料高強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到提升承載效率的效果，從而滿足大承載的要求，擴(kuò)大了其使用范圍。同時(shí)本發(fā)明中的制備方法操作簡(jiǎn)便、成本低廉，制備的成品性能穩(wěn)定。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1-復(fù)合材料外蒙皮，2-復(fù)合材料內(nèi)蒙皮，3-復(fù)合材料筋條，4-芯層，5-凹槽。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒，結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括復(fù)合材料外蒙皮1、復(fù)合材料內(nèi)蒙皮2，以及設(shè)置在兩者之間的圓筒形芯層4，芯層4的內(nèi)、外兩側(cè)表面上均勻分布有若干凹槽5，且凹槽5中安裝有復(fù)合材料筋條3，凹槽5與復(fù)合材料筋條3沿芯層4的軸向方向設(shè)置。

前述芯層4為泡沫材料制成，且芯層4由四個(gè)圓心角為90°的泡沫圓弧片環(huán)向拼接而成。前述復(fù)合材料外蒙皮1和復(fù)合材料內(nèi)蒙皮2均由纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)成，纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料包括第一增強(qiáng)材料和樹(shù)脂。第一增強(qiáng)材料包括玻璃纖維雙軸布、玻璃纖維多軸布、碳纖維雙軸布、碳纖維多軸布、玄武巖纖維布和芳綸纖維布中的一種或多種。

前述復(fù)合材料筋條3為單向纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)成，單向纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料包括第二增強(qiáng)材料和樹(shù)脂。第二增強(qiáng)材料包括單向玻璃纖維布、玻璃纖維絲、單向碳纖維布、碳纖維絲、單向玄武巖纖維布、玄武巖纖維絲、單向芳綸纖維布和芳綸纖維絲中的一種或多種。

前述樹(shù)脂包括環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和聚氨酯樹(shù)脂中的一種或多種。前述泡沫材料包括PVC泡沫、PMI泡沫、PU泡沫或PEI泡沫。前述復(fù)合材料外蒙皮1和復(fù)合材料內(nèi)蒙皮2的厚度相同，復(fù)合材料筋條3的圓周寬度略小于凹槽5的寬度、其徑向?qū)挾扰c凹槽5的深度相同。增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒的內(nèi)半徑為100-500mm；增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒的高度為1000-4000mm；復(fù)合材料內(nèi)蒙皮與復(fù)合材料外蒙皮的厚度相同，厚度為1-5mm；泡沫圓弧片的厚度為10-60mm；凹槽的寬度為4-20mm，深度為2-10mm；復(fù)合材料筋條的圓周寬度比凹槽小1mm，徑向?qū)挾扰c凹槽深度相同。

本實(shí)施例在復(fù)合材料內(nèi)、外蒙皮與泡沫圓弧片表面之間引入了復(fù)合材料筋條，該復(fù)合材料筋條與復(fù)合材料內(nèi)、外蒙皮、PVC泡沫經(jīng)樹(shù)脂粘結(jié)固化，形成有機(jī)整體，該復(fù)合材料筋條可作為復(fù)合材料內(nèi)、外蒙皮的加強(qiáng)筋，能夠有效的防止復(fù)合材料內(nèi)、外蒙皮發(fā)生局部屈曲，更有效的將復(fù)合材料蒙皮的強(qiáng)度發(fā)揮出來(lái)。

并且，在泡沫圓弧片表面刻制了凹槽，且凹槽的圓周寬度比復(fù)合材料筋條的寬度大1mm，凹槽內(nèi)空余的縫隙可作為VARI成型中樹(shù)脂流動(dòng)的通道，使樹(shù)脂更加均勻的浸潤(rùn)增強(qiáng)材料，保證面、芯之間結(jié)合完好，進(jìn)而提高了面、芯結(jié)合的強(qiáng)度；同時(shí)，凹槽內(nèi)的復(fù)合材料筋條嵌入泡沫圓弧片內(nèi)，與其形成機(jī)械咬合作用，使蒙皮與泡沫圓弧片連接更加緊密；因此引入復(fù)合材料筋條后，可賦予增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒很高的面、芯結(jié)合強(qiáng)度。此外，復(fù)合材料筋條其自身具備高強(qiáng)度比、高剛度比的特點(diǎn)，布置方向與受力方向一致，因此復(fù)合材料筋條自身能夠有效的分擔(dān)外荷載，起到提升增強(qiáng)型泡沫夾芯筒的整體承載能力效果。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供了一種增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒的制備方法，由復(fù)合材料內(nèi)蒙皮、復(fù)合材料外蒙皮、夾在兩塊蒙皮之間的泡沫芯層、芯層與兩蒙皮之間的復(fù)合材料筋條所組成；增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒的高度為1000mm，內(nèi)徑為200mm；復(fù)合材料內(nèi)蒙皮、復(fù)合材料外蒙皮都是由玻璃纖維雙軸布增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)成，厚度都為3mm；芯層由四塊圓心角為90°的泡沫圓弧片環(huán)向拼接而成，泡沫圓弧片片材料是密度為100kg/m³的PVC泡沫，厚度為40mm；凹槽的寬度為7mm，深度為4mm，兩凹槽間隔12°；復(fù)合材料筋條由玻璃纖維單向布增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)成，寬度為6mm，厚度為4mm。

包括如下具體步驟：

㈠準(zhǔn)備PVC泡沫圓弧片:刻有凹槽的PVC泡沫圓弧片由北京科拉斯有限公司提供，密度為100kg/m³，厚度為40mm；凹槽的寬度為7mm，深度為5mm，兩凹槽間隔12°，將泡沫圓弧片在烘箱內(nèi)50℃通風(fēng)環(huán)境下干燥4小時(shí)，備用。

㈡加筋：使用切布機(jī)將玻璃纖維單向布切割成多條長(zhǎng)1000mm，寬6mm的窄布條，玻璃纖維單向布單層厚度為0.4mm，將切割好的窄布條一層一層鋪設(shè)在凹槽內(nèi)，每個(gè)凹槽鋪設(shè)10層；或者：由單向玻璃纖維布與樹(shù)脂通過(guò)模壓工藝制成長(zhǎng)為1000mm，寬為1000mm，厚度為4mm的平板，將所示平板切割成長(zhǎng)1000mm，寬為6mm，厚度為4mm的筋條，然后將所述筋條放置在凹槽內(nèi)。

㈢準(zhǔn)備預(yù)成型體：在外徑為200mm的金屬空心模具筒上涂抹脫模劑，在模具上纏繞5層寬度為1000mm，厚度為0.6mm的玻璃纖維雙向布，并用纖維絲綁扎好，然后扣上加筋后的4塊PVC泡沫圓弧片并用纖維絲捆綁固定，最后再纏繞5層寬度為1000mm，厚度為0.6mm的玻璃纖維雙向布，并也用纖維絲綁扎好，得到預(yù)成型體；

㈣組裝VARI成型系統(tǒng)：在預(yù)成型體上，依次纏繞一層脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)，并布置樹(shù)脂導(dǎo)流管、注膠嘴、抽氣管，然后用真空袋包裹覆蓋，形成一個(gè)密封環(huán)境；

㈤ 注膠與共固化：檢查VARI成型系統(tǒng)的氣密性，并及時(shí)調(diào)整；樹(shù)脂選用770V型乙烯基樹(shù)脂常溫樹(shù)脂，與固化劑和促凝劑按照100:1:1的重量比調(diào)配好；將抽氣管與真空泵相連，注膠嘴與注膠管相連并將注膠管插入樹(shù)脂體系，開(kāi)啟真空泵，樹(shù)脂體系在負(fù)壓作用下通過(guò)注膠管、導(dǎo)流管、導(dǎo)流布均勻的分布在預(yù)成型體的各個(gè)角落，45分鐘左右后關(guān)閉真空泵，常溫下固化7小時(shí)。

㈥后處理：使用頂推法將模具從固化后的成型體中取出來(lái)，脫除成型體上的真空袋、導(dǎo)流管、導(dǎo)流網(wǎng)、脫模布，便可得到增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒。

本實(shí)施例提供的制備方法中采用真空輔助樹(shù)脂灌注技術(shù)使復(fù)合材料蒙皮與復(fù)合材料筋條浸潤(rùn)樹(shù)脂均勻，同時(shí)成型件的固化壓力均勻，保證了各組分緊密貼合，因此制成的增強(qiáng)型復(fù)合材料泡沫夾芯筒的面、芯結(jié)合效果好，無(wú)明顯缺陷，且該制備方法成本低廉、操作簡(jiǎn)便。

以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。