碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维增强PMI泡沫‑金字塔夹层板复合结构及其制备方法，包括面板和金字塔点阵芯体，金字塔点阵芯体设置在两个面板之间构成金字塔点阵夹层板，在金字塔点阵芯体的孔隙中间隔性填充有碳纤维增强PMI泡沫，碳纤维增强PMI泡沫内添加有增强相碳纤维。本发明专利技术制造工艺成本较低，易于规模化生产，在安全防护、交通运输、机械制造、航空航天等领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构及其制备方法
本专利技术属于超轻多孔金属材料
，具体涉及一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构及其制备方法。
技术介绍
超轻多孔金属材料是近些年来随着材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新型多功能材料，具有结构功能一体化的特征。其芯体具有高的孔隙率，其微结构按规则程度可分为无序和有序两大类，前者包括闭孔泡沫铝材料，而后者包括二维点阵材料(如蜂窝、波纹结构)与三维桁架结构(如金字塔、四面体结构)。PMI泡沫材料是目前强度和刚度最高的耐热泡沫塑料，结构为100％闭孔，具有优异的抗蠕变性能和防火性能，无毒，低烟。值得注意的是，随着泡沫密度的减小，PMI泡沫的强度和刚度会明显下滑。为此，将碳纤维或再生碳纤维加入PMI泡沫，不仅提高了泡沫自身的力学性能，如压缩强度、剪切强度和孔壁韧性等，而且增加了电磁屏蔽性能、抗静电性能。金字塔点阵夹层板具有高的比强度和比刚度，作为结构材料优势明显，但其芯体或者节点往往容易在较低的应变时就达到应力峰值，继而软化失效。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构及其制备方法，将碳纤维增强PMI泡沫在金字塔点阵夹层板中原位发泡形成，从而改善整体力学性能，获得多功能的碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板。本专利技术采用以下技术方案：一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构，包括面板和金字塔点阵芯体，金字塔点阵芯体设置在两个面板之间构成金字塔点阵夹层板，在金字塔点阵芯体的孔隙中间隔性填充有碳纤维增强PMI泡沫，碳纤维增强PMI泡沫内添加有增强相碳纤维。具体的，金字塔点阵芯体的相对密度为0.01～0.15，碳纤维增强PMI泡沫的密度为30～100kg/m3。一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构的制备方法，首先制备金字塔点阵芯体；然后将金字塔点阵芯体与面板焊接制成金字塔点阵夹层板；然后以碳纤维或再生碳纤维作为增强材料，以甲基丙烯腈与甲基丙烯酸作为共聚单体，加入引发剂、交联剂、发泡剂、成核剂等制备出可发泡聚合体；然后将可发泡聚合体填充入金字塔点阵夹层板的孔隙，在烘箱中自由发泡、热处理，制备得到完全充满于金字塔点阵夹层板孔隙的碳纤维增强PMI泡沫后，自然冷却至室温，得到碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构。具体的，将冲孔菱形网或平整过的拉伸网采用模压或折叠技术形成金字塔点阵芯体，然后将面板和金字塔点阵芯体采用金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，采用钎焊或激光焊将面板与金字塔点阵芯体连接制成金字塔点阵夹层板，冲孔菱形网或平整过的拉伸网以及面板的材质为不锈钢、钛合金或铝合金。具体的，增强材料的制备具体如下：将碳纤维原丝在350～450℃下的空气气氛中加热20～40min，然后浸入质量浓度20～40％的硝酸中煮沸10～30min，再用离去子水冲洗至中性；再将碳纤维或再生碳纤维长丝剪成2～4mm的短切碳纤维。具体的，按照重量份数比将40～60甲基丙烯腈、40～60甲基丙烯酸、0.1～0.3引发剂、0.5～0.8交联剂、2.0～3.0发泡剂、0.5～2.0成核剂进行混合，在15～25℃的水浴温度下，通过1000～3000r/min搅拌机转速混合1～3h将反应液搅拌均匀。进一步的，将重量份数比为2～20的短切碳纤维加入反应液中，将反应液放置于超声分散仪中在5～50kHz频率下，超声分散20～50min，将碳纤维均匀分散在反应液中。进一步的，将反应液灌注入内径8～15mm的线状结构玻璃模具内，随后放入水浴锅中，采用35～65℃水浴温度，聚合时间48～72h，可获得可发泡聚合体。具体的，可发泡聚合体在被填入金字塔点阵夹层板之前，先将金字塔点阵夹层板进行酸碱洗以去除其表面氧化膜并干燥，然后将可发泡聚合体填入金字塔点阵夹层板中后放入烘箱中自由发泡，发泡温度为200～220℃，发泡时间为1～3h。进一步的，待可发泡聚合体膨胀形成完全充满于金字塔点阵夹层板孔隙的碳纤维增强PMI泡沫后，将金字塔点阵夹层板放入烘箱中进行热处理，热处理温度为150～200℃，热处理时间10～20h，随后自然冷却至室温，得到碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构，复合结构由金字塔点阵芯体与面板制成的金字塔点阵夹层板以及间隔性填充在金字塔点阵芯体的孔隙中的碳纤维增强PMI泡沫组成，碳纤维增强PMI泡沫内添加有增强相碳纤维，将金字塔点阵夹层板和碳纤维增强PMI泡沫材料复合，制备出碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构，可以实现两种材料优势性能的整合，弥补各自力学性能的不足，从而获得力学性能大幅提升的新型复合结构，拓宽了碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构在航天、航空、舰船和高速列车等领域的应用。进一步的，本专利技术制备得到的复合结构中，金字塔点阵相对密度为0.01～0.15，碳纤维增强PMI泡沫密度为30～100kg/m3，可以根据具体使用工况进行复合结构的组分设计，极大拓宽了应用背景。本专利技术还公开了一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构的制备方法，首先采用模压或折叠技术制成金字塔点阵芯体，并通过钎焊或激光焊等方法与面板连接，制备成金字塔点阵夹层板；利用碳纤维或再生碳纤维作为增强材料，以甲基丙烯腈与甲基丙烯酸作为共聚单体，加入引发剂、交联剂、发泡剂、成核剂等制备出可发泡聚合体；将可发泡聚合体填充入金字塔点阵夹层板的孔隙，在烘箱中自由发泡、热处理，制备得到完全充满于金字塔点阵夹层板孔隙的碳纤维增强PMI泡沫后，自然冷却至室温，即可获得碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构。本专利技术实现了金字塔点阵夹层板、PMI泡沫和碳纤维的复合，获得力学性能优异的碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构，制备的碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层压缩峰值强度较PMI泡沫-金字塔夹层板压缩峰值强度提高20％以上，例如，金字塔点阵夹层板(压缩峰值强度12.6MPa)和碳纤维增强PMI泡沫(1.2MPa)复合后压缩峰值强度大幅度提升到16.5MPa。复合结构实现了金字塔点阵、PMI泡沫和碳纤维或再生碳纤维等优势性能的有机融合，能在保证承载优势的基础上实现轻量化设计的要求，并具备隔热、防火、隔声、减振等多功能特性。进一步的，本专利技术采用自由基预聚体法，在点阵金属内部原位发泡形成结合紧密的碳纤维增强PMI泡沫，利用点阵金属优异的力学性能以及PMI泡沫的强度、刚度、防火、耐热、抗蠕变等优势，实现多功能耦合，获得综合性能更加优异的结构功能一体化材料，碳纤维不仅可以提升PMI泡沫的力学性能，包括：拉伸强度、弯曲强度、压缩强度、剪切强度(添加重量份数比5～15，强度提升130～260％)，而且增加了PMI泡沫的电磁屏蔽性能和抗静电性能。进一步的，原位发泡可以让PMI泡沫均匀填充入金字塔点阵夹层板，减少了界面结合处的孔隙，有效提高了界面结合强度，使得复合结构的性能得到进一步提升。进一步的，选用的玻璃模具为线状，内径8～15mm，便于将可发泡聚合体均匀填充入金字塔点阵间隙。综上所述，本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维增强PMI泡沫‑金字塔夹层板复合结构，其特征在于，包括面板(1)和金字塔点阵芯体(2)，金字塔点阵芯体(2)设置在两个面板(1)之间构成金字塔点阵夹层板，在金字塔点阵芯体(2)的孔隙中间隔性填充有碳纤维增强PMI泡沫(3)，碳纤维增强PMI泡沫(3)内添加有增强相碳纤维(4)。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构，其特征在于，包括面板(1)和金字塔点阵芯体(2)，金字塔点阵芯体(2)设置在两个面板(1)之间构成金字塔点阵夹层板，在金字塔点阵芯体(2)的孔隙中间隔性填充有碳纤维增强PMI泡沫(3)，碳纤维增强PMI泡沫(3)内添加有增强相碳纤维(4)。2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构，其特征在于，金字塔点阵芯体(2)的相对密度为0.01～0.15，碳纤维增强PMI泡沫(3)的密度为30～100kg/m3。3.一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构的制备方法，其特征在于，首先制备金字塔点阵芯体(2)；然后将金字塔点阵芯体(2)与面板(1)焊接制成金字塔点阵夹层板；然后以碳纤维或再生碳纤维作为增强材料，以甲基丙烯腈与甲基丙烯酸作为共聚单体，加入引发剂、交联剂、发泡剂、成核剂等制备出可发泡聚合体；然后将可发泡聚合体填充入金字塔点阵夹层板的孔隙，在烘箱中自由发泡、热处理，制备得到完全充满于金字塔点阵夹层板孔隙的碳纤维增强PMI泡沫后，自然冷却至室温，得到碳纤维增强PMI泡沫-金字塔点阵夹层板复合结构。4.根据权利要求3所述的一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构的制备方法，其特征在于，将冲孔菱形网或平整过的拉伸网采用模压或折叠技术形成金字塔点阵芯体(2)，然后将面板(1)和金字塔点阵芯体(2)采用金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，采用钎焊或激光焊将面板(1)与金字塔点阵芯体(2)连接制成金字塔点阵夹层板，冲孔菱形网或平整过的拉伸网以及面板(1)的材质为不锈钢、钛合金或铝合金。5.根据权利要求3所述的一种碳纤维增强PMI泡沫-金字塔夹层板复合结构的制备方法，其特征在于，增强材料的制备具体如下：将碳纤维原丝在350～450℃下的空气气氛中加热20～40min，然后浸入质量浓度20～4...

【专利技术属性】
技术研发人员：王昕，张钱城，卢天健，赵振宇，李朗，魏子涵，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61