含能材料夹层纤维复合材料回转筒体及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种含能材料夹层纤维复合材料回转筒体及其制备方法，该回转筒体包括由外至内依次设置的外蒙皮结构单元、多层夹层结构单元和内蒙皮结构单元，多层夹层结构单元由交替设置的奇数夹层结构单元和偶数夹层结构单元组成；各结构单元由聚合物基体、分布于聚合物基体中的含能材料和设于聚合物基体内侧的承载层构成。制备方法包括制备含有含能材料的纤维预浸料、将纤维预浸料和含能材料共混树脂膜进行裁剪和预叠合、在模具上依次铺设预浸料和树脂膜、压实排气、模具组装和分段固化。本发明专利技术的回转筒体具有含能材料种类可变可调控、力学性能良好、组分分布多层有序等优点，制备方法工艺简单，易于实现大规模生产。易于实现大规模生产。易于实现大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
含能材料夹层纤维复合材料回转筒体及其制备方法


[0001]本专利技术属于碳纤维复合材料结构
‑
功能一体化构件制备领域，具体涉及一种含能材料夹层纤维复合材料回转筒体及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳纤维复合材料以其高比强度、高比模量、耐疲劳、耐腐蚀、性能可设计等优点，正在逐步替代结构钢、铝合金、钛合金等金属结构材料，成为了航空航天装备的首选结构材料，筒类回转体又是航空航天装备中最为常见的结构类型。为了赋予航空航天装备毁伤性能，结构材料的含能化是一个有效解决途径。一般筒类回转体的制备方法主要有旋压、锻压、铣削、车削等。上述方法均属于“减材制造”，为了保证所制备的材料承载性能，其组分在原材料制备阶段均已确定，难以在制备构件的过程中更改。此外，在这些构件制备过程中，通常涉及到高温、高压等处理过程，含能材料通常是属于反应性材料，在高温高压下容易发生反应释能，为构件的制备带来不可预估的安全性问题，因此难以实现含能化。而碳纤维复合材料的制备属于“增材制造”方式，其组分的选择与其在构件中的分布可以根据具体要求灵活选择，成型工艺条件较为温和，不涉及高温、高压成型过程，因此具备含能化的前提条件。
[0003]在碳纤维复合材料筒类回转体中引入含能组分的常见方法主要是两种，一是将含能组分制成薄层与碳纤维预浸料交替层叠，并利用碳纤维复合材料中基体树脂的粘接性能粘接碳纤维层与含能组分层。二是将碳纤维层间含能组分混合入基体树脂中，并通过真空导入、手糊、或者湿法缠绕的方式制备。在第一种方法中，含能材料内聚强度通常不高，在外载荷下，含能材料层容易发生破坏，从而降低构件的强度。第二种方法中，树脂粘度通常较低。由于含能材料通常为金属颗粒，密度是树脂基体2
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10倍，因此在树脂中易发生沉降，在制备筒类构件时，容易带来颗粒在构件中分布不均的问题，不仅影响复合材料的释能效果，还可能带来承载性能的下降。此外，由于颗粒含能材料的加入会显著提高树脂的流动性，成型时容易在复合材料中引入大量缺陷。因此这类方法对于含能材料在基体中的添加量有上限且含量难以灵活调控，这极大限制了碳纤维复合材料筒回转体的释能特性的发挥。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，特别是针对目前在复合材料回转筒体中含能材料内聚强度低、分布不均匀、含能材料在筒体中添加量受限的问题，提供一种含能材料种类可变、筒体中含量可调且力学性能良好的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体及其制备方法。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案。
[0006]一种含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，所述回转筒体包括由外至内依次设置的外蒙皮结构单元、多层夹层结构单元和内蒙皮结构单元，所述多层夹层结构单元由交替设置的奇数夹层结构单元和偶数夹层结构单元组成；所述外蒙皮结构单元由第一聚合物基
体、分布于第一聚合物基体中的第一含能材料和设于第一聚合物基体内侧的第一承载层构成，设所述奇数夹层结构单元的个数为N，第n个奇数夹层结构单元记为O
n
结构单元，1≤n≤N，N取正整数，则所述O
n
结构单元由O
n
聚合物基体、分布于O
n
聚合物基体中的O
n
含能材料和设于O
n
聚合物基体内侧的O
n
承载层构成，设所述偶数夹层结构单元的个数为M，第m个奇数夹层结构单元记为O
m
结构单元，1≤m≤M，M取正整数，则所述O
m
结构单元由O
m
聚合物基体、分布于O
m
聚合物基体中的O
m
含能材料和设于O
m
聚合物基体内侧的O
m
承载层构成，所述内蒙皮结构单元由第二聚合物基体、分布于第二聚合物基体中的第二含能材料和设于第二聚合物基体内侧的第二承载层构成；所述外蒙皮结构单元、奇数夹层结构单元、偶数夹层结构单元、内蒙皮结构单元均为筒体结构，且厚度均为0.11mm～0.8mm；所述第一承载层、O
n
承载层、O
m
承载层和第二承载层为纤维织物层。
[0007]该回转筒体中，各结构单元也可以认为是由含能层及设于含能层内侧的承载层组成，含能层即为聚合物基体和分布于聚合物基体中的含能材料组成，由于工艺过程会进行真空袋压、压实排气、固化等操作，承载层的纤维织物中可含有聚合物基体，即各结构单元中承载层位于聚合物基体的内侧，可浸入一定量的聚合物基体，承载层的表面还会嵌入一些含能材料，形成类似“过渡层”的结构。
[0008]上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，优选的，N为1～10，M为1～10。
[0009]上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，优选的，所述第一含能材料、O
n
含能材料、O
m
含能材料、第二含能材料呈颗粒状、纤维状或片状，所述第一含能材料、O
n
含能材料、O
m
含能材料、第二含能材料的外形特征的尺寸为0.1μm～50μm。
[0010]上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，优选的，所述第一含能材料、O
n
含能材料、O
m
含能材料、第二含能材料选自以非金属元素、金属元素、合金或聚合物构成的颗粒材料中的一种或多种，所述含能材料的颗粒直径为1μm～20μm，所述非金属元素包括B、C和P中的一种或多种，所述金属元素包括Al、Fe、Co、Ni、Ta和Ti中的一种或多种，所述合金包括铝镁合金，所述聚合物包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和四氟乙烯
‑
六氟丙烯
‑
偏氟乙烯共聚物中的一种或多种。
[0011]上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，优选的，所述第一含能材料、O
n
含能材料、O
m
含能材料、第二含能材料均匀分散于相应结构单元的聚合物基体中，所述第一含能材料、O
n
含能材料、O
m
含能材料、第二含能材料在相应结构单元的聚合物基体中的体积分数为5％～60％。
[0012]上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，优选的，所述第一承载层、O
n
承载层、O
m
承载层、第二承载层具有不同的铺层角度，所述第一承载层、O
n
承载层、O
m
承载层、第二承载层的厚度均为0.1mm～0.3mm；所述第一承载层、O
n
承载层、O
m
承载层和第二承载层的表面嵌入有含能材料，嵌入含能材料的厚度均在0.5μm～3.5μm范围，嵌入的含能材料在对应的承载层中的体积分数为0.5％～10％。
[0013]上述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，优选的，所述纤维织物层包括连续纤维单向带、长纤维织物或短切纤维毡，所述纤维织物层的纤维包括碳纤维、玻璃纤维本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，其特征在于，所述回转筒体包括由外至内依次设置的外蒙皮结构单元、多层夹层结构单元和内蒙皮结构单元，所述多层夹层结构单元由交替设置的奇数夹层结构单元和偶数夹层结构单元组成；所述外蒙皮结构单元由第一聚合物基体、分布于第一聚合物基体中的第一含能材料和设于第一聚合物基体内侧的第一承载层构成，设所述奇数夹层结构单元的个数为N，第n个奇数夹层结构单元记为O
n
结构单元，1≤n≤N，N取正整数，则所述O
n
结构单元由O
n
聚合物基体、分布于O
n
聚合物基体中的O
n
含能材料和设于O
n
聚合物基体内侧的O
n
承载层构成，设所述偶数夹层结构单元的个数为M，第m个奇数夹层结构单元记为O
m
结构单元，1≤m≤M，M取正整数，则所述O
m
结构单元由O
m
聚合物基体、分布于O
m
聚合物基体中的O
m
含能材料和设于O
m
聚合物基体内侧的O
m
承载层构成，所述内蒙皮结构单元由第二聚合物基体、分布于第二聚合物基体中的第二含能材料和设于第二聚合物基体内侧的第二承载层构成；所述外蒙皮结构单元、奇数夹层结构单元、偶数夹层结构单元、内蒙皮结构单元均为筒体结构，且厚度均为0.11mm～0.8mm；所述第一承载层、O
n
承载层、O
m
承载层和第二承载层为纤维织物层。2.根据权利要求1所述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，其特征在于，N为1～10，M为1～10；和/或，所述第一含能材料、O
n
含能材料、O
m
含能材料、第二含能材料呈颗粒状、纤维状或片状，所述第一含能材料、O
n
含能材料、O
m
含能材料、第二含能材料的外形特征的最大尺寸为0.1μm～50μm。3.根据权利要求2所述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，其特征在于，所述第一含能材料、O
n
含能材料、O
m
含能材料、第二含能材料选自以非金属元素、金属元素、合金或聚合物构成的颗粒材料中的一种或多种，所述含能材料的颗粒直径为1μm～20μm，所述非金属元素包括B、C和P中的一种或多种，所述金属元素包括Al、Fe、Co、Ni、Ta和Ti中的一种或多种，所述合金包括铝镁合金，所述聚合物包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和四氟乙烯
‑
六氟丙烯
‑
偏氟乙烯共聚物中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，其特征在于，所述第一含能材料、O
n
含能材料、O
m
含能材料、第二含能材料均匀分散于相应结构单元的聚合物基体中，所述第一含能材料、O
n
含能材料、O
m
含能材料、第二含能材料在相应结构单元的聚合物基体中的体积分数为5％～60％。5.根据权利要求1所述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，其特征在于，所述第一承载层、O
n
承载层、O
m
承载层、第二承载层具有不同的铺层角度，所述第一承载层、O
n
承载层、O
m
承载层、第二承载层的厚度均为0.1mm～0.3mm；所述第一承载层、O
n
承载层、O
m
承载层和第二承载层的表面嵌入有含能材料，嵌入含能材料的厚度均在0.5μm～3.5μm范围，嵌入的含能材料在对应的承载层中的体积分数为0.5％～10％；所述纤维织物层包括连续纤维单向带、长纤维织物或短切纤维毡，所述纤维织物层的纤维包括碳纤维、玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维、凯夫拉纤维、PBO纤维、硼纤维和表面沉积硼的钨芯纤维中的一种或多种。6.根据权利要求1～5中任一项所述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，其特征在于，所述第一聚合物基体、O
n
聚合物基体、O
m
聚合物基体、第二聚合物基体选自环氧树脂、氟改性环氧树脂、氟树脂、不饱和聚酯树脂和氟橡胶中的一种或多种。7.根据权利要求1～5中任一项所述的含能材料夹层纤维复合材料回转筒体，其特征在
于，所述外蒙皮结构单元由第一圆形筒底和第一圆形筒身构成，第一圆形筒底的直径等于所述回转筒体的外径，第一圆形筒身的周长等于所述回转筒体的外周周长，第一圆形筒身的高等于所述回转筒体的外周高；所述O
n
结构单元由O
n
圆形筒身和带突出部的O
n
圆形筒底构成，O
n
圆形筒底的突出部贴于O
n
圆形筒身的外壁上，所述突出部沿O
n
圆形筒底的圆周均匀分布，所述突出部上连接O
n
圆形筒底的弧长为O
n
圆形筒底圆周的3～36等分长；相邻的O
n
结构单元与O
n+1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺雍律，王宪，唐俊，张鉴炜，刘钧，陈丁丁，白书欣，尹昌平，杨金水，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：