一种三维立体玻璃纤维织物增强环氧树脂夹心复合材料制备工艺的制作方法

本发明涉及玻璃纤维织物夹心复合材料板的制备工艺领域，具体涉及一种三维立体玻璃纤维织物增强环氧树脂夹心复合材料制备工艺。

背景技术：

材料一直是人类社会的支柱产业，对社会生产与生活影响很大。在材料发展历程中，可以得到的结论是：每当出现一种重要新材料，并且加以运用时，都会对社会产生重大影响，对生产力与生活带来巨大的变化。当前随着各种新兴技术产业的迅猛发展，对材料性能的要求更为严苛。在很多方面，单一的传统材料已经无法满足工程应用，这使得材料向着可设计性的方向发展。面对这种情况，复合材料应运而生。复合材料目前已成为影响各行各业发展的关键材料，尤其在航空航天领域，其发展已在国际竞争中愈演愈烈，在世界各国中都引起高度重视。《材料大词典》对复合材料的定义如下：由有机高分子材料、无机非金属材料或金属等几类不同材料通过复合而成的新型材料，既能够保留组分原有的部分性能，又能够获得新的性能。当前，复合材料已与金属、高分子及陶瓷并列为四大主要材料。在复合材料的发展过程中，最早在生产实际中应用到的是以树脂为基体、玻璃纤维为增强体制作而成的复合材料。上世纪40年代初，美国基于手糊工艺，以树脂和玻璃纤维为原料，从而生产出了飞机的雷达罩及油箱等军用复合材料产品，为复合材料在军工中的应用指明了方向。至六十年代后，生产工作者逐渐认识到玻璃钢的质量较大、模量较低，满足不了航空航天、电子电工等高新产品对材料高性能的要求。在60—70年代，陆续开发了碳纤维及其复合材料，继碳纤维之后又开发出芳纶及其他高性能纤维的复合材料。进入21世纪后，复合材料向着智能化这一领域发展着。比如：机敏复合材料能感知外界变化，并通过调节其性能参数及时作出响应，以此来应对变化后的环境；智能复合材料是在其自诊断、自适应等基础上，加入了自决策、自修补等功能，从而更加智能。

复合材料主要包含基体和增强体这两大组分。增强体主要用来增强材料性能，是模量大、强度高的材料，如纤维、颗粒和晶须等。基体材料主要包容并固定分散的增强材料，是模量和强度较低的材料，如不饱和基聚酯树脂等。20世纪90年代后，为满足材料高性能化、多功能化、小型化、轻量化、智能化及低成本化的发展需要，各种新设备已被开发，从而大大促进了复合材料的发展。进入21世纪以来，世界上高性能纤维的发展，已步入良性循环的状态，并形成科研、生产和市场一体化的格局，同时推动了以高性能纤维为基础的复合材料的发展。这些先进原材料的研发及工艺上的改进，都为复合材料的

发展提供了根本保障。复合材料主要有以下几种分类方法：

1、按增强体的形态不同分类：(1)连续纤维复合材料；(2)短纤维复合材料；(3)颗粒增强复合材料；(4)薄片增强复合材料。2、按增强体种类不同分类：(1)玻璃纤维复合材料(2)碳纤维复合材料；(3)有机纤维复合材料；(4)金属纤维复合材料；(5)陶瓷纤维复合材料。

3、按基体材料不同分类：(1)聚合物基复合材料；(2)金属基复合材料；(3)无机非金属复合材料。4、按材料使用功能不同分类：(1)结构复合材料；(2)功能复合材料。以上几种分类能满足大多数复合材料，也有一些特殊的分类，如同质与异质复合材料，顾名思义，就是基体与增强体相同或者相异的复合材料。

夹心复合材料在实际工程领域得到了广泛的应用，以泡沫铝为例，由于其轻质，受载后会产生较大的变形，吸能效果明显在汽车、高铁、飞机、轮船等方面得到了广泛的应用。泡沫铝、聚氨酯泡沫是夹心结构复合材料中应用最为广泛的芯材结构，由于在实际使用过程中，芯材和面板需要进行二次粘结，在实际使用过程中，由于实际使用环境温度的不同，温度应力、湿热老化等环境因素的影响，易造成面板和芯材的脱胶，造成在使用过程中整体性能的下降。因此，改善面板和芯材结构的界面性能，提高其实际使用过程中材料的承载能力一直都是亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对以上技术问题，本发明专利提出了一种新型的夹心结构复合材料的制备工艺，三维立体玻璃纤维织物本身包含面板，支撑骨架与面板是通过编织连接在一起，解决了粘结夹心层合板易分层的缺点，利用手糊工艺将环氧树脂浸入玻璃纤维中，提高了支撑结构纤维束之间的剪切强度及压缩强度。在支撑结构的空隙中填充有机硅橡胶，将其制成一种新的夹心复合材料，可以更加有效地提高其抗冲击能力以及压缩承载能力。

本发明提出了一种三维立体玻璃纤维织物夹心复合材料板制备工艺，其制备过程有下列步骤：

一种三维立体玻璃纤维织物增强环氧树脂夹心复合材料制备工艺，具体包括以下步骤：

(1)根据实际需求裁剪所需尺寸的三维立体玻璃纤维织物；

(2)制备三维立体玻璃纤维织物增强环氧树脂：利用滚刷将树脂固化剂混合物均匀涂刷在纤维上，通过玻璃板挤压待树脂完全浸透后进行固化；

(3)制备硅橡胶弹性体：利用三辊研磨技术对颗粒、短纤维在硅橡胶液体中进行分散；

(4)采用真空辅助抽注的方式将硅橡胶弹性体抽入到复合板的中空部分，作为复合板的芯材。

所述的步骤(1)具体包括：

剪裁好的织物浸入到浓度为0.5mol/l的naoh溶液中30min，利用蒸馏水冲洗干净织物表面残留的氢氧化钠溶液，待清洗液的ph值呈中性，将清洗完毕的织物放置在热循环鼓风干燥箱中，待织物完全干燥后取出待用。

所述的步骤(2)具体包括：

在环氧树脂中加入纳米氧化铝颗粒，通过机械搅拌、磁力搅拌混合和超声波分散的方式对颗粒在环氧树脂中进行分散；在环氧树脂中加入多壁碳纳米管，通过三辊研磨、超声波分散技术对多壁碳纳米管进行分散。

所述的步骤(2)具体包括：

芯材选用硅胶弹性体，玻璃纤维织物采用三维立体玻璃纤维织物，织物的基体选用环氧e51。

其特征在于：在环氧树脂中加入纳米氧化铝颗粒，通过机械搅拌、磁力搅拌混合和超声波分散的方式对颗粒在环氧树脂中进行分散；纳米颗粒在水浴75℃的条件下分散，采用机械搅拌与磁力搅拌混合搅拌的方式进行对颗粒的第一次分散，机械搅拌的转速为2000r/min，磁力搅拌转子的转速为1000r/min，分散时间为3小时，再利用超声波分散3小时；在环氧树脂中加入多壁碳纳米管，通过三辊研磨、超声波分散技术对多壁碳纳米管进行分散。

所述的步骤(3)具体包括：

先用三辊研磨机对多壁碳纳米管在环氧树脂中进行分散，三辊研磨机a1轴与a2轴的间距设置为1μm，a2轴与a3轴的间距设为2μm，分散时间为2-3小时，超声波分散在在60℃水浴环境中进行，分散时间为6小时。

所述的步骤(4)具体包括：

采用ab型弹性体硅胶，在硅胶中加入颗粒和短纤维增强相采用三辊研磨技术进行分散，对于短切纤维增强相，三辊研磨机a1轴与a2轴的间距设置为10μm，a2轴与a3轴的间距设为12μm，对于颗粒增强体，三辊研磨机a1轴与a2轴的间距设置为1μm，a2轴与a3轴的间距设为2μm，增强相在a胶中进行分散。

所述的步骤(4)具体包括：

采用真空辅助抽注技术，密封胶的宽度要宽于复合板厚1cm，气密性良好的条件下进行抽注。

本发明提出的三维立体玻璃纤维织物夹心复合材料板的优点在于：(1)采用三维立体玻璃纤维织物其支撑结构部分与填充芯材成为一体，克服了传统夹心结构芯材和面板的脱粘问题；(2)三维立体玻璃纤维织物先采用环氧树脂固化，可以有效提高织物的其刚度和强度，且工艺采用手糊工艺，简单易操作；(3)填充芯材采用液体硅橡胶固化工艺，操作简单，同时由于硅橡胶属于大变形的弹性体材料，整体夹心结构在承受冲击载荷时能够吸收更多的能量；(4)由于树脂和硅橡胶的加入使得整体结构具有优良的耐腐蚀性性和防水性；(5)通过对环氧树脂增强三维立体玻璃纤维织物进行改性，可以使其表现出更优异的耐热性能以及导电性能和导热性能，使其在具备优异的力学性能的同时具有多功能性。

附图说明

图1是采用本发明制备的三维立体玻璃纤维增强环氧树脂夹心复合材料板的剖视图；

图2三维立体玻璃纤维织物增强环氧树脂制备工艺；

图3纳米氧化铝颗粒在环氧树脂中的分散工艺；

图4多壁碳纳米管改性环氧树脂分散工艺；

图5真空辅助抽注工艺。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详尽的说明：

图1为环氧树脂增强三维立体玻璃纤维织物1和硅橡胶弹性体2组成的三维立体玻璃纤维增强环氧树脂夹心复合材料板的剖视图。

第一步，根据实际需求裁剪所需尺寸的三维立体玻璃纤维织物，剪裁好的织物浸入到浓度为0.5mol/l的naoh溶液中30min，利用蒸馏水冲洗干净织物表面残留的氢氧化钠溶液，待清洗液的ph值呈中性，将清洗完毕的织物放置在热循环鼓风干燥箱中，待织物完全干燥后取出待用。

第二步，制备三维立体玻璃纤维织物增强环氧树脂，工艺流程如图2所示。将e51环氧树脂1与593固化剂2按质量比5:1混合，混合成为树脂固化剂混合溶液3，混合均匀后利用滚刷将混合液均匀涂刷在三维立体玻璃纤维织物上下表4，用两块干净的玻璃板挤压该织物，无大量的树脂流出时，将其放置在真空干燥箱中25℃下12小时进行固化5。如要求该织物具有良好的耐热性能，可通过在环氧树脂中加入一定量的纳米氧化铝颗粒，纳米氧化铝颗粒在环氧树脂中的分散工艺如图3所示，1：将环氧树脂置于水浴中加热至75℃，待环氧树脂的粘度降低到可以像水一样流动。2：在环氧树脂中加入3％质量分数的纳米氧化铝颗粒。3：在水浴75℃的条件下采用磁力搅拌与机械搅拌两种混合搅拌方式对含颗粒的环氧树脂进行分散，机械搅拌的转速为2000r/min，磁力搅拌转子的转速为1000r/min，利用两种搅拌器搅拌时的转速差产生的高速剪切力对颗粒搅拌分散3h。4：利用超声波分散仪对通过机械搅拌分散的混合物在水浴75℃的环境中分散3h，待混合物冷却至室温，可按照图2的工艺流程制备纳米颗粒改性的三维立体玻璃纤维织物增强环氧树脂。如果实际应用中要求材料具备一定的导电性能和导热性能，可以通过对环氧树脂进行多壁碳纳米管改性，多壁碳纳米管在环氧树脂中的分散工艺如图4所示，1+2将多壁碳纳米管加入到环氧树脂中，先用玻璃棒进行初步搅拌混合，再将混合物利用3将碳纳米管分散在环氧树脂中，为了使多壁碳纳米管在环氧树脂中分散均匀，三辊研磨机3a1轴与a2轴的间距设置为1μm，a2轴与a3轴的间距设为2μm，三辊研磨机3研磨分散时间为2-3小时。再将由三辊研磨机3分散的混合物利用4在60℃水浴环境中分散6小时，待混合物的温度冷却至室温，按照图2的工艺流程制备多壁碳纳米管改性三维立体玻璃纤维织物增强环氧树脂。环氧树脂完全固化后，利用水切割机将整体织物切割成实际应用所需的尺寸。

第三步，制备硅橡胶弹性体。将ab型硅胶溶液按质量比为1:1混合，利用玻璃棒搅拌均匀后待用。如实际应用过程中要求弹性体具有更高的刚度和强度，则可以通过在橡胶弹性体中加入2％质量分数的短切碳纤维、玻璃纤维、200nm氧化铝颗粒、200nm二氧化硅颗粒。由于硅胶的粘度较高，为了保证弹性体中加入增强体整体性能的显著提高，增强体在硅胶中的分散工艺可采用图4中的3进行研磨分散，对于短切纤维增强相，三辊研磨机a1轴与a2轴的间距设置为10μm，a2轴与a3轴的间距设为12μm，对于颗粒增强体，三辊研磨机a1轴与a2轴的间距设置为1μm，a2轴与a3轴的间距设为2μm，分散时增强体与a型硅胶混合分散，待增强体在a型硅胶中分散均匀后，再与b型硅胶溶液按1:1混合搅拌均匀后待用。

第四步，采用真空辅助抽注工艺将硅橡胶弹性体作为夹心部分抽入三维立体玻璃纤维织物增强环氧树脂的中空部分，如图5所示。先用密封胶条2将第二步制备的三维立体玻璃纤维织物增强环氧树脂复合板9四周密封，密封胶的宽度要宽于复合板厚1cm，再将复合板9竖立在两个木块1之间并用固定桩3固定，用塑料管将复合板9、回收罐5、抽气泵6连接起来，将复合板最下端的塑料管用橡胶弹性体堵住，气体从抽气泵6的抽气口8进入，出气口7排除气体；打开抽气泵6检查是否漏气，气密性良好后，移开塑料管下的弹性体，将塑料管置于硅橡胶溶液4进行芯层的抽注。当回收罐中有多余的硅橡胶弹性体流入，停止抽注，用大力钳将复合板9的上、下两部分分别夹紧，在25℃环境中放置4h固化。