[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料车厢夹芯层及其制备方法，特别涉及一种轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层及其制造方法，并应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车的机车和每一节车厢中，属于工程材料制备、结构设计领域。

背景技术

最近，江雷等（中国专利:201110209112.4、中国专利:201110242739、中国专利:201110242755.9）提出了带有仿机翼的空气动力悬浮列车，该列车的机车和每节车厢的顶部分别安装有仿制飞机的机翼结构的仿机翼。通过与列车相对运动的气流作用于仿机翼结构而产生上抬力，从而减少列车对铁轨的压力。该高速列车要求设计的车厢夹芯层尽可能轻而不损失强度。

夹层结构复合材料因比刚度大的突出优点，其作为高速列车车厢夹芯层材料的应用愈来愈受重视。针对夹层结构复合材料，面板层与夹芯层的粘结强度及芯子层的构型是影响夹层结构性能的关键因素。现有的夹层结构复合材料，其中间夹芯层、与上、下面板多为独立的分离实体，采用胶结而成，界面构造单一，很容易导致上、下面板层与中间夹芯层脱胶分层剥离；另外，现有夹层结构的芯子层缺乏有效的支撑点，均不具备较高的高度，达到20mm以上时，芯子易失稳，发生剪切破坏；此外，现有夹层结构的芯子构型多是单方向受力，很容易使芯子朝一个方向单方向产生破坏，最终导致复合材料结构无法使用。因此，需要设计和制备新型的夹层结构功能复合材料，以满足现代高速列车等领域结构超轻型化，最佳构形设计，多功能化的结构设计要求。

鸟类具有最优的骨骼结构，含有大量孔隙相通的周期性轻质结构。飞鸟骨骼结构不仅具有明显的直线轴向骨骼作为支撑，同时还具有多方向的斜向骨骼作为有效支撑，提供了鸟类飞行所需的强度。借助于飞鸟骨骼结构，制备轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料夹芯层，并应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车的机车和每一节车厢中，是本发明的目的所在。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种轻质仿鸟骨骼中空夹芯结构的复合材料车厢夹芯层及其制备方法，并应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车的机车和每一节车厢中。该复合材料车厢夹芯层结构整体性好，质量轻、大大提高了结构的承载效率，结构的稳定性、抗压、抗剪、抗冲击、耐疲劳等性能都得到显著增强。该制备方法工艺简单，环境污染小，生产效率高，成本相对较低。

本发明解决所述轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层技术问题的技术方案如下：

本发明设计的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。

本发明的进一步特征是所述的上面板层、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。

本发明的特征还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。

本发明的特征还在于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。

本发明的特征还在于所述的仿鸟骨骼中空结构关于中性面为完全对称结构。

本发明的特征还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。

本发明的特征还在于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。

本发明的特征还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，起着有效的双向支撑作用。

本发明的特征还在于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。