一种轻质多孔复合材料圆柱体的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种轻质多孔复合材料圆柱体的制备方法，该制备方法步骤如下：A、复合材料圆柱壳预制体的制备：采用角联锁结构，将碳纤维作为接结经纱和纬纱分别沿着圆柱壳的环向和轴向进行编织，其中按直线轴向编织的部分纬纱由间隔布置的金属杆替代，得到复合材料圆柱壳预制体；B、复合材料圆柱体的制备：采用RTM工艺，将步骤A得到的复合材料圆柱壳预制体浸渍在树脂溶液中，待固化成型后取出轴向的金属杆，并在全部孔隙中注入PVC泡沫，得到轻质多孔复合材料圆柱体。本发明专利技术的轻质多孔复合材料圆柱体采用碳纤维树脂基复合材料和聚氯乙烯泡沫制备，具有良好的力学性能和优异的吸能特性，能够更好的提升承载和吸能性质。能够更好的提升承载和吸能性质。能够更好的提升承载和吸能性质。

【技术实现步骤摘要】
一种轻质多孔复合材料圆柱体的制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及装备材料
，具体地说是一种轻质多孔复合材料圆柱体的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]薄壁结构由于具有优良的力学性能及吸能特性，被广泛应用于航天航空、机械工程和交通运输等不同领域。其中，薄壁金属管具有吸能效率高、成本低等优点，已得到了广泛的研究。同传统金属管相比，纤维增强树脂复合材料薄壁管具有轻质、吸能、比吸能高等优点，近些年成为研究热点。Sumana等研究了碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料薄壁管和玻璃纤维增强树脂复合材料薄壁管的吸能特性，结果发现CFRP复合材料薄壁管吸收的能量要高于玻璃纤维增强树脂复合材料薄壁管。随着工程领域对材料性能要求的提高，多孔结构凭借质量轻、高比能、高容积效率等优势，也被用作飞机、导弹及汽车等行业的缓冲、吸能构件。
[0003]目前的薄壁圆柱壳多采用金属材料，其密度大无法满足轻量化需求，因此为进一步提高复合材料薄壁构件的承载与吸能特性，开展设计并制备一种轻质多孔复合材料圆柱体，将为多孔薄壁复合材料作为吸能结构的应用研究产生深远影响。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种具有良好的力学性能和优异的吸能特性的轻质多孔复合材料圆柱体的制备方法及其应用。
[0005]本专利技术的第一个目的是提供一种轻质多孔复合材料圆柱体的制备方法，该制备方法步骤如下：
[0006]A、复合材料圆柱壳预制体的制备：采用角联锁结构，将碳纤维作为接结经纱和纬纱分别沿着圆柱壳的环向和轴向进行编织，其中按直线轴向编织的部分纬纱由间隔布置的金属杆替代，得到复合材料圆柱壳预制体；
[0007]B、复合材料圆柱体的制备：采用RTM工艺，将步骤A得到的复合材料圆柱壳预制体浸渍在树脂溶液中，待固化成型后取出轴向的金属杆，并在全部孔隙中注入PVC泡沫，得到轻质多孔复合材料圆柱体。
[0008]在本专利技术的一种实施方式中，步骤A和步骤B中的金属杆的截面为三角形、矩形或梯形中的一种或几种。
[0009]在本专利技术的一种实施方式中，步骤A和步骤B中的金属杆为空心或实心。
[0010]在本专利技术的一种实施方式中，步骤A中的复合材料圆柱壳预制体的周向分布有20
‑
40根金属杆。
[0011]在本专利技术的一种实施方式中，步骤A中的碳纤维为T700
‑
12K、T800
‑
12K、T1000
‑
12K中的一种或几种，碳纤维的细度为800Tex、强度大于4500MPa且模量大于230GPa。
[0012]在本专利技术的一种实施方式中，步骤A中的角联锁结构为经纱按正弦曲线径向编织、
纬纱按直线轴向编织且部分纬纱被金属杆替代。
[0013]在本专利技术的一种实施方式中，步骤A中的角联锁结构编织工艺是沿复合材料圆柱壳预制体的轴向的经纱密度为5
‑
6根/cm，沿复合材料圆柱壳预制体的环向每隔1根金属杆的纬纱数量为2
‑
4根。
[0014]在本专利技术的一种实施方式中，步骤A中的复合材料圆柱壳预制体的外径为150
‑
200mm、厚度为5
‑
20mm、长度为400
‑
500mm。
[0015]在本专利技术的一种实施方式中，步骤A中的金属杆的长度与复合材料圆柱壳预制体的长度相等、步骤A中的金属杆沿复合材料圆柱壳预制体的径向厚度不超过复合材料圆柱壳预制体的厚度。
[0016]在本专利技术的一种实施方式中，步骤B中的RTM工艺参数为：最大压强10
‑
15bar，安全压强5bar，最大容量为1200
‑
1500ml，树脂溶液的流速为30
‑
50ml/min。
[0017]在本专利技术的一种实施方式中，步骤B中的树脂溶液是将E
‑
51环氧树脂与5023型固化剂按3:1的质量比混合。
[0018]在本专利技术的一种实施方式中，步骤B中的浸渍的温度为20
‑
30℃、时长为10
‑
30min。
[0019]在本专利技术的一种实施方式中，步骤B中的固化成型的温度为70
‑
90℃、时长为6
‑
10h。
[0020]在本专利技术的一种实施方式中，步骤B中的PVC泡沫密度为50
‑
80kg/m3。
[0021]本专利技术的第二个目的是用本专利技术所述的方法制备得到轻质多孔复合材料圆柱体。
[0022]本专利技术的第三个目的是本专利技术所述的轻质多孔复合材料圆柱体在吸能领域的应用。
[0023]本专利技术相比现有技术有如下优点：
[0024]本专利技术的轻质多孔复合材料圆柱体采用碳纤维树脂基复合材料和聚氯乙烯泡沫制备，其具有轻量化的优势，质量在6kg
‑
10kg之间，相较于同尺寸下的铝合金、钢复合材料圆柱壳填充PVC泡沫得到的圆柱体，减重达40％～60％。
[0025]本专利技术采用碳纤维树脂基复合材料和聚氯乙烯泡沫制备的轻质多孔复合材料圆柱体，具有较高的承载及稳定性，峰值力≥45kN，峰值应力≥4Mpa；还具有优异的吸能特性，总吸能≥150kJ，比吸能≥25J/g，相对于同尺寸下铝合金、钢复合材料圆柱壳填充PVC泡沫得到的圆柱体，比吸能提升100％
‑
130％。
附图说明
[0026]附图1为本专利技术的轻质多孔复合材料圆柱体的制备流程图。
具体实施方式
[0027]以下对本专利技术的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本专利技术，不用于限制本专利技术。
[0028]测试方法：
[0029]轴压实验：根据GB/T 5350
‑
2005《纤维增强热固性塑料管轴向压缩性能试验方法》进行试验。
[0030]总吸能与比吸能的计算公式：总吸收能量E
t
为结构受荷载变形吸收的能量，可由
力
‑
位移曲线中力对位移的积分得到：
[0031][0032]式中：F为冲击压缩力，l为冲击压缩的距离；比吸能SEA为总吸能E
t
与结构质量m的比值。
[0033]实施例一
[0034]一种轻质多孔复合材料圆柱体的制备方法，步骤如下：
[0035](1)复合材料圆柱壳预制体的制备：
[0036]复合材料圆柱壳预制体的外径为200mm、厚度为15mm、长度为500mm；编织结构为角联锁结构；
[0037]采用碳纤维T700(细度为800Tex)，接结经纱按正弦曲线径向编织、纬纱按直线轴向编织，其中部分纬纱被矩形截面的金属杆替代；沿复合材料圆柱壳预制体的轴向的经纱密度6根/cm不变、沿环向每隔1根金属杆的纬纱数量为3根，金属杆沿环向共40根，编织得到复合材料圆柱壳预制体；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轻质多孔复合材料圆柱体的制备方法，其特征在于：该制备方法步骤如下：A、复合材料圆柱壳预制体的制备：采用角联锁结构，将碳纤维作为接结经纱和纬纱分别沿着圆柱壳的环向和轴向进行编织，其中按直线轴向编织的部分纬纱由间隔布置的金属杆替代，得到复合材料圆柱壳预制体；B、复合材料圆柱体的制备：采用RTM工艺，将步骤A得到的复合材料圆柱壳预制体浸渍在树脂溶液中，待固化成型后取出轴向的金属杆，并在全部孔隙中注入PVC泡沫，得到轻质多孔复合材料圆柱体。2.根据权利要求1所述的轻质多孔复合材料圆柱体的制备方法，其特征在于：所述步骤A和步骤B中的金属杆的截面为三角形、矩形或梯形中的一种或几种；所述步骤A中的复合材料圆柱壳预制体的周向分布有20
‑
40根金属杆。3.根据权利要求1所述的轻质多孔复合材料圆柱体的制备方法，其特征在于：所述步骤A中的碳纤维为T700
‑
12K、T800
‑
12K、T1000
‑
12K中的一种或几种，碳纤维的细度为800Tex、强度大于4500MPa且模量大于230GPa。4.根据权利要求1所述的轻质多孔复合材料圆柱体的制备方法，其特征在于：所述步骤A中的角联锁结构为经纱按正弦曲线径向编织、纬纱按直线轴向编织且部分纬纱被金属杆替代。5.根据权利要求1所述的轻质多孔复合材料圆柱体的制备方法，其特征在于：所述步骤A中的角联锁结构编织工艺是沿复合材料圆柱壳预制体的轴向的经纱密度为5
‑
6根/cm，沿复合材料圆柱壳预制体的环向每隔1根金属杆的纬纱数量为2
...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗晟，李茂源，伍立立，缪碧云，
申请(专利权)人：宜兴市新立织造有限公司，
类型：发明
国别省市：