[发明专利]轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层及其制备方法

权利要求书

1.一种轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，它由上面板层、下面板层和设置于上、下面板层之间的仿鸟骨骼中空芯子层构成。其特征在于上、下面板层形成夹层结构，所述的仿鸟骨骼中空芯子层以垂直轴纱为中心，以中性面内横向纱线作为芯子有效支撑，由孔隙相通周期性排列的仿鸟骨骼中空构型单胞组成的空间网络结构，且该仿鸟骨骼中空芯子层与上、下面板层按设计规律编织为一个整体，并采用树脂传递工艺，在大型热压罐中固化成型。

2.根据权利要求1所述的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，其特征在于：所述的上面板层、下面板层是采用机织工艺技术，由高性能纤维材料织造面板层预成型件来制备得到；所述的上、下面板层预成型件的织物组织结构可以分别采用平纹、斜纹、缎纹或变化组织结构中的任何一种。所述的织物组织结构是面板层经纱和纬纱的交织规律。所述的高性能纤维材料是指碳纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维、玄武岩纤维等中的一种。

3.根据权利要求1所述的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，其特征在于：上面板层和下面板层形成夹层结构，仿鸟骨骼中空芯子层与上、下面板层间通过三维整体机织工艺，编织为一个完全不分离的整体结构。所述的仿鸟骨骼中空芯子层是由孔隙相通周期性排列的仿鸟骨骼中空构型单胞组成的空间网络结构，所述的单胞为仿鸟骨骼中空芯子层的最小重复单元。所述的仿鸟骨骼中空芯子层关于中性面为完全对称结构。

4.根据权利要求1所述的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，其特征在于：所述的仿鸟骨骼中空构型含有垂直于上、下面板的直法向纱线，即轴纱。所述的仿鸟骨骼中空芯子层单胞结构以垂直轴纱为中心对称结构，且轴纱起有效的轴向支撑作用。

5.根据权利要求1所述的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，其特征在于：所述的仿鸟骨骼中空构型，沿某一方向（沿宽度方向或厚度方向）来看，构型呈现完全的对称结构。所述的仿鸟骨骼中空芯子层，沿面内两个方向（面内宽度方向和厚度方向）来看，双方向芯子层呈现完全的对称结构，起着有效的面内双向支撑作用。

6.根据权利要求1所述的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，其特征在于：所述的仿鸟骨骼中空芯子层的中性面还包括两组横向纱线：沿宽度方向的横向纱线和沿厚度方向的横向纱线。其中，沿宽度方向横向纱线将相邻两组仿鸟骨骼中空芯子捆绑并沿面内宽度方向取向；沿厚度方向横向纱线将相邻两组仿鸟骨骼中空芯子捆绑并沿面内厚度方向取向。所述的横向纱线从相邻两组仿鸟骨中空芯子纱线的中心穿过，并与相邻的仿鸟骨中空芯子纱线形成“8”字型线圈缠绕捆绑。

7.根据权利要求1所述的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，其特征在于：所述的沿宽度方向和沿厚度方向的横向纬纱与芯子层纱线的所有交叉重合点分布在中性面上。所述的沿宽度方向的横向纬纱、沿厚度方向的横向纬纱和轴纱在中性面上相互交织重合于一点，对芯子层起着有效支撑作用。

8.根据权利要求1所述的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，其特征在于：所述的仿鸟骨骼中空构型即可为直线形式也可为曲线形式，如有“直线”形斜向交叉构型、“S”形斜向交叉构型、“波浪形”斜向交叉构型、“C”形斜向交叉构型，“I”字形等构型。所述的仿鸟骨骼中空结构还可以形成双夹层、多夹层结构。

9.根据权利要求1所述的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，其特征在于：所述整体复合材料车厢夹芯层外形尺寸长度范围为0-28米,宽度范围为0-3.5米，高度范围为0-3.5米；上面板层厚度范围为0-0.020米，下面板层厚度范围为0-0.020米，所述的仿鸟骨骼中空芯子层高度范围可达到0-0.160米之间，针对单夹层结构，仿鸟骨骼中空芯子层连接上、下层面板层形成的整体高度范围为0-0.180米之间。针对双夹层结构，仿鸟骨骼中空芯子层连接上、下层面板层形成的整体高度范围为0-0.360米之间。所述整体复合材料车厢夹芯层采用树脂注入工艺，先在室温下进行固化，并采用大型热压罐进行高温高压熟化。所述的热压罐外形尺寸为30-35米，直径为5.5米；可控温度范围为室温到300℃，最大压力水平可达到7个大气压。

10.一种如权利要求1所述轻质仿鸟骨骼中空结构复合材料车厢夹芯层的制备方法，其特征在于按如下步骤进行制备：

1）上、下面板层制备

所述的上面板层、下面板层是采用机织工艺技术，由高性能纤维材料织造面板层预成型件来制备得到；所述的上、下面板层预成型件的织物组织结构可以分别采用平纹、斜纹、缎纹或变化组织结构中的任何一种。按照设计的织物组织结构，由上面板层经纱系统和上面板层纬纱系统交织形成上面板层，由下面板层经纱系统和下面板层纬纱系统交织形成下面板层。

2）制备中空芯子层；

（a）间隔纱线系统

沿宽度方向的间隔纱线系统，除了与步骤1）所述上面板层的纬纱系统交织外，还跨层与下面板层的纬纱系统交织，沿宽度方向将上、下面板层织造成一个整体，构成夹层结构。沿厚度方向的间隔纱线系统，除了与步骤1）所述上面板层的经纱系统交织外，还跨层与下面板层的经纱系统交织，沿厚度方向将上、下面板层织造成一个整体，构成夹层结构。所述的间隔纱线系统从一个面板层跨层向另一个面板层交织时，其在两夹层面板间的空间走向相反。

（b）轴向纱线系统

轴向纱线系统，在每相邻两组沿宽度方向的芯子间隔纱线系统的中间位置，由轴纱引纱装置沿着厚度方向逐行垂直喂入，或在每相邻沿厚度方向的芯子间隔纱线系统的中间位置，由轴纱引纱装置沿着宽度方向逐列垂直喂入；轴向纱线系统贯穿整个夹层结构的高度方向，并夹持在上面板层和下面板层相邻的经纱纱线系统行之间。

（c）横向纱线系统

沿宽度方向横向纱线系统，由引纱装置携带，沿着厚度方向逐行由中性面位置喂入，将相邻两根中空芯子间隔纱线捆绑并沿面内宽度方向取向。沿厚度方向横向纱线系统由引纱装置携带，沿着宽度方向逐行由中性面位置喂入，将相邻两根中空芯子间隔纱线捆绑并沿面内厚度方向取向。

重复所述工艺步骤（1）（2），即可获得本发明所述的仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层预制件。

3）树脂固化成型

将织造好的仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层预制件，采用树脂传递工艺，注入环氧树脂，使上、下面板层和中空芯子层充分浸渍树脂，先在室温下固化，再放置于大型热压罐中，在高温高压下熟化。树脂复合固化后，即得到本发明的仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层。