【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复合材料结构设计，尤其涉及一种抗冲击的复合材料层合板及其制备方法。
技术介绍
1、纤维增强复合材料(简称“复合材料”)由于其卓越的比强度/比刚度、耐腐蚀、多功能及优越的结构可设计性等特点，被广泛应用于国防军工、航天航空、医疗机械、汽车船舶等科学
当前，工业领域中所采用的复合材料以环氧树脂为代表的热固性复合材料为主，虽然该材料体系具备优良的强度与模量，但是由于树脂基体本身特性，导致结构的损伤容限与抗冲击性能较差，极大的限制了复合材料在工程领域的应用。例如，热固性复合材料在遭受低速冲击载荷(如工具掉落、重物碰撞等)时，虽然外观完好，但其内部结构很可能发生一些不易探查的损伤破坏，如基体损伤与层间分层，这些损伤将极大的影响复合材料结构的服役性能。因此，在许多可能会面临冲击载荷的结构或部件中，出于安全角度考虑，往往无法采用复合材料，而被迫采用塑性更高的金属材料。这一设计局限性不仅极大的影响了结构轻量化水平，同时更带来了金属与复合材料连接方面等新的问题。对传统热固性树脂基体进行增韧改性是提升复合材料结构韧性的主要方法，但是这种方法存在研发周期长、操作严苛、配方困难等问题，因此，亟需提出一种面向传统复合材料体系的更快速更方便的结构设计与制造方法，提升复合材料结构的抗冲击性能。
2、高性能热塑性聚合物材料由于韧性好、损伤容限大、介电常数良好，加工成型简便等诸多优势，在近几年受到工业界的广泛关注。但由于热塑性树脂普遍存在加工温度较高，高温状态下粘性大、流动性差特点，很难做到与纤维进行有效复合，且加工难度较大、成本
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种抗冲击的复合材料层合板。本专利技术从结构设计角度出发，提出基于热塑性膜的复合材料层合板结构抗冲击设计及制备方法，无需从根本上改变制备工艺，可基于现有复合材料制造工艺进行工业级快速生产，具有重要的应用前景。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案：
3、本专利技术的技术方案之一为：
4、一种抗冲击的复合材料层合板，包括热固性环氧树脂基复合材料层和热塑性树脂薄膜层，所述热固性环氧树脂基复合材料层由下至上依次堆叠，所述热塑性树脂薄膜层采用拼接或插接的方式嵌置于所述热固性环氧树脂基复合材料层中；
5、其中，所述热固性环氧树脂基复合材料层的层数为2n；n为正整数且≥4。
6、进一步，所述热固性环氧树脂基复合材料层由单向或织物纤维预浸料制备而成；
7、所述热塑性树脂薄膜层由热塑性聚合物制备而成；所述热塑性聚合物薄膜与单层纤维预浸料的厚度相同；所述厚度为0.15mm。
8、更进一步，所述纤维预浸料中的纤维为碳纤维、璃纤维、凯夫拉纤维中的任一种；优选碳纤维，其固化温度为180℃±5℃；接近所采用的热塑性聚合物的玻璃化温度。
9、进一步，所述嵌置的位置不包括所述热固性环氧树脂基复合材料层的最顶层和最底层。
10、进一步，所述热塑性树脂薄膜层在所述热固性环氧树脂基复合材料层内部形成的结构的纵截面为“z”型或“ω”型。其中，纵截面为垂直于铺设平面的剖面。
11、更进一步，当所述热塑性树脂薄膜层在所述热固性环氧树脂基复合材料层内部形成的结构的纵截面为“z”型，且n＝4时，将所述热固性环氧树脂基复合材料层堆叠方向从下往上依次定义为第一至第八层，第二三层、第四五层及第六七层分别作为一组，进行裁剪，使得每组热固性环氧树脂基复合材料层的纵截面为“z”型，将所述热塑性薄膜跨层插入其中，与所述热固性环氧树脂基复合材料层拼接形成完整结构。
12、更进一步，当所述热塑性树脂薄膜层在所述热固性环氧树脂基复合材料层内部形成的结构的纵截面为“ω”型，且n＝4时，将所述热固性环氧树脂基复合材料层堆叠方向从下往上依次定义为第一至第八层，其中，第二层至第七层进行局部裁剪，使得第二层至第七层的热固性环氧树脂基复合材料层的纵截面为“ω”型，将所述热塑性薄膜插入其中，与所述热固性环氧树脂基复合材料层插接形成完整结构。
13、上述复合材料层合板的两种结构(拼接与插接构型)可改变跨层数量、拼/插接长度、以及拼/插接相对位置。
14、本专利技术的技术方案之二：
15、提供一种抗冲击的复合材料层合板的制备方法，包括如下步骤：
16、步骤一、将纤维预浸料做软化处理；
17、步骤二、按照上述设计的铺设结构在下模具面上铺设纤维预浸料；
18、步骤三、覆盖上模具，对模具进行密封，并对模具抽真空；
19、步骤四、高温固化成型，打开模具，取出复合材料，得到基于纤维预浸料的内嵌热塑性膜的复合材料层合板。
20、进一步，步骤四中的固化温度为175～185℃，压力为0.6mpa-0.8mpa；固化时间≥180min。
21、其中，基于thomas-windle熔渗原理，界面熔渗率v为：
22、
23、上式中dsg为玻璃化转变温度以上聚合物扩散系数，为渗透表面体积分数阈值，t为反应时间。根据对熔渗率的控制，得到步骤四中的固化条件。
24、与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：
25、1、本专利技术通过构型设计理念提出了基于热塑性薄膜的复合材料层合板抗冲击结构与制备方法，在不影响结构重量的前提下，较大幅度提升结构整体的抗冲击性能，包括面外刚度、极限承载力，以及抵抗分层能力等，本专利技术相比无热塑性薄膜增强的环氧树脂复合材料在落锤冲击载荷作用下，峰值承载力可提升57.1％，冲击后的分层面积最高减小了48.5％。本专利技术有效提升了传统热固性环氧树脂基复合材料层合板结构的抗冲击性能与动态载荷下的裂纹扩展阻断能力；
26、2、本专利技术通过在热固性复合材料层合板结构中引入具备更高韧性的热塑性聚合物薄膜，在受到冲击时基于热塑性薄膜的塑性变形，降低了冲击能量。同时，基于合理的加工工艺，有效实现了热塑性聚合物与热固性树脂体系的结合，增加了层间界面的结合能力，有效阻止了结构内部的裂纹扩展，有效提升了复合材料层合板在冲击载荷作用下的抗分层能力。
27、3、所述基于热塑性薄膜的复合材料层合板的制备方法操作简单，无需改变复合材料配方与工艺参数，可采用现有工艺完成工业生产，对比材料增韧改性极大的缩短了研发周期并降低了制造成本。
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1.一种抗冲击的复合材料层合板，其特征在于，包括热固性环氧树脂基复合材料层和热塑性树脂薄膜层，所述热固性环氧树脂基复合材料层由下至上依次堆叠，所述热塑性树脂薄膜层采用拼接或插接的方式嵌置于所述热固性环氧树脂基复合材料层中；
2.根据权利要求1所述的一种抗冲击的复合材料层合板，其特征在于，所述热固性环氧树脂基复合材料层由单向或织物纤维预浸料制备而成；
3.根据权利要求2所述的一种抗冲击的复合材料层合板，其特征在于，所述纤维预浸料中的纤维为碳纤维、璃纤维、凯夫拉纤维中的任一种。
4.根据权利要求1所述的一种抗冲击的复合材料层合板，其特征在于，所述嵌置的位置不包括所述热固性环氧树脂基复合材料层的最顶层和最底层。
5.根据权利要求4所述的一种抗冲击的复合材料层合板，其特征在于，所述热塑性树脂薄膜层在所述热固性环氧树脂基复合材料层内部形成的结构的纵截面为“Z”型或“Ω”型。
6.根据权利要求5所述的一种抗冲击的复合材料层合板，其特征在于，当所述热塑性树脂薄膜层在所述热固性环氧树脂基复合材料层内部形成的结构的纵截面为“Z”型，且n＝
7.根据权利要求5所述的一种抗冲击的复合材料层合板，其特征在于，当所述热塑性树脂薄膜层在所述热固性环氧树脂基复合材料层内部形成的结构的纵截面为“Ω”型，且n＝4时，将所述热固性环氧树脂基复合材料层堆叠方向从下往上依次定义为第一至第八层，其中，第二层至第七层进行局部裁剪，使得第二层至第七层的热固性环氧树脂基复合材料层的纵截面为“Ω”型，将所述热塑性薄膜插入其中，与所述热固性环氧树脂基复合材料层插接形成完整结构。
8.一种抗冲击的复合材料层合板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤四中所述高温固化的温度为175～185℃，压力为0.6MPa-0.8MPa；固化时间≥180min。
...【技术特征摘要】
1.一种抗冲击的复合材料层合板，其特征在于，包括热固性环氧树脂基复合材料层和热塑性树脂薄膜层，所述热固性环氧树脂基复合材料层由下至上依次堆叠，所述热塑性树脂薄膜层采用拼接或插接的方式嵌置于所述热固性环氧树脂基复合材料层中；
2.根据权利要求1所述的一种抗冲击的复合材料层合板，其特征在于，所述热固性环氧树脂基复合材料层由单向或织物纤维预浸料制备而成；
3.根据权利要求2所述的一种抗冲击的复合材料层合板，其特征在于，所述纤维预浸料中的纤维为碳纤维、璃纤维、凯夫拉纤维中的任一种。
4.根据权利要求1所述的一种抗冲击的复合材料层合板，其特征在于，所述嵌置的位置不包括所述热固性环氧树脂基复合材料层的最顶层和最底层。
5.根据权利要求4所述的一种抗冲击的复合材料层合板，其特征在于，所述热塑性树脂薄膜层在所述热固性环氧树脂基复合材料层内部形成的结构的纵截面为“z”型或“ω”型。
6.根据权利要求5所述的一种抗冲击的复合材料层合板，其特征在于，当所述热塑性树脂薄膜层在所述热固性环氧树脂基复合材料层内部形成的结...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵天，李营，徐帅衡，苏伯昂，吴振波，陈晓萱，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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