一种可连续制备蜂窝芯材的模具和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于复合材料制造技术领域，具体涉及一种可连续制备蜂窝芯材尤其 是具有Z向定向连续纤维增强的蜂窝芯材的模具及装置，并进一步公开了其使用方法。
【背景技术】
[0002] 蜂窝本意即指蜂巢，是一种六角形排列而成的结构（如图1所示），它的一端是六 角形开口，另一端则是封闭的六角棱锥体的底，由三个相同的菱形组成，所以说蜂巢是严格 的六角柱形体。早在公元四世纪的古希腊，数学家佩波斯就提出：蜂窝的优美形状，是自然 界最有效劳动的代表。他猜想人们所见到的截面呈六边形的蜂窝，是蜜蜂采用最少量的蜂 蜡建成的，他的这一猜想被称为"蜂窝猜想"。而后的事实和理论均证明，蜜蜂所建造的蜂巢 的确采用了最少的蜂蜡，占有最大的空间面积，而结构稳定性为最佳。而18世纪初，法国学 者马拉尔奇曾经专门测量过大量蜂巢的尺寸，令人十分惊讶的是，这些蜂巢组成底盘的菱 形的所有钝角都是109° 28'，所有的锐角都是70° 32'。后来经过法国数学家克尼格和 苏格兰数学家马克洛林从理论上的计算，如果要消耗最少的材料，制成最大的菱形容器正 是这个角度。从这个意义上说，蜜蜂称得上是"天才的数学家兼设计师"。
[0003] 受自然蜂巢的这种即坚固又省料的结构的启迪，人类通过长期研宄和分析自然蜂 窝结构的特点，创造性地实用新型了各种蜂窝复合结构材料及其制品，它们有的用于新材 料和新产品的研发，有的用来改善现有产品的特性，有的用于解决结构设计中面临的难题 等等。
[0004] 在应用材料领域，蜂窝复合材料类似于连续排列的工字钢结构，以其极佳的抗压、 抗弯特性和超轻型结构特征而闻名于世。与同类型的实心材料相比，蜂窝材料其强度重量 比和刚性重量比在已知材料中均是最高的。蜂窝结构板材具有许多优越的性能，从力学角 度分析，封闭的六角等边蜂窝结构相比其他结构，能以最少的材料获得最大的受力，而蜂窝 结构板受垂直于板面的载荷时，它的弯曲刚度与同材料、同厚度的实心板相差无几，甚至更 高，但其重量却轻70~90%，而且不易变形，不易开裂和断裂，并具有减震、隔音、隔热、极 强的耐候性以及比强度高、比刚度高等优势。因此广泛应用于航空、航天、建筑、汽车、火车、 包装与电子电器等行业领域。
[0005] 目前人们根据蜂窝的用途已经成功研制了多种蜂窝结构的产品，包括铝合金蜂 窝、纸蜂窝、玻璃钢蜂窝、芳纶蜂窝、塑料蜂窝和陶瓷蜂窝等，并得到广泛的应用。但是现有 蜂窝制品中，纸蜂窝材料一般只能用于包装材料；铝合金蜂窝的质量相对较重，造价过高， 资源受到限制。相比其他蜂窝材料，塑料蜂窝材料因其具有良好的阻尼减振性能、良好的加 工工艺性能以及良好的性能可设计性及可回收性等优势，成为应用最为广泛的材料。但是 首先于制成所述塑料蜂窝的纤维材料的限制，使得其成品的平压强度较低，在一些厚度方 向上承载要求较高的场合则不宜使用。
[0006] 中国专利CN101386210A公开了一种玄武岩纤维增强预织造多层蜂窝复合材料复 合方法，其采用玄武岩连续长丝作为织造原料，试图提高其承重性能，但是该方法采用的是 先织成多层整体织造蜂窝立体布作为框架的方式，在常温常压条件下采用环氧树脂/酚醛 胺环氧固化成型，制得多层立体框架蜂窝复合材料。一方面需要先压模成型所述的蜂窝立 体布，使得该蜂窝复合材料织造工艺比较复杂；同时在制备所述蜂窝立体布框架时，也会在 一定程度上破坏所述长丝纤维的纵向强度，使其Z相上的定向承重能力受到影响。
[0007] 中国专利CN101797822A公开了一种新型纤维增强蜂窝板，该蜂窝板由两侧面板 与棱锥形结构蜂窝芯构成，棱锥形蜂窝芯是由散乱状短切纤维棉/毡经注入环氧树脂基体 或用IOmm至30_高强散乱状短切纤维预浸环氧树脂基体成预混模压料，并经加热加压模 制而成。但是一方面该蜂窝芯是一系列凸凹交错的棱锥台体组成，并非真正意义上的蜂窝； 而且成型的芯材受限于压机台面大小的影响，只能做到有限的长度和宽度，成型效率也较 低，并且难于实现连续化的生产；更重要的是，该方法采用散乱状短切纤维棉/毡制成，使 得其在Z相即厚度方向上的承重能力相对较差，依然不适用于对Z相定向要求较高的场合 应用。 【实用新型内容】
[0008] 为此，本实用新型所要解决的技术问题在于针对现有技术中制备蜂窝复合材料的 工艺较为复杂且难于实现连续化生产的问题，提供一种可连续制备蜂窝芯材的模具及装 置。
[0009] 本实用新型所要解决的第二个技术问题是公开上述模具及装置的使用方法，及利 用所述模具及装置制备具有Z向定向连续纤维增强的蜂窝芯材的应用。
[0010] 为解决上述技术问题，本实用新型所述的可连续制备蜂窝芯材的模具，包括相互 配合的前模和后模；
[0011] 所述后模包括若干呈线性交错排列的正六棱柱，相邻所述正六棱柱的侧壁相平行 且正对设置，所述侧壁之间具有形成所述蜂窝芯材侧壁厚度的间隙；
[0012] 所述前模具有与所述后模的相邻所述正六棱柱的排列形状形成的凹陷部相对应 适配以形成蜂窝芯材结构的形状；
[0013] 所述前模和所述后模相配合后，所述后模的所述正六棱柱的侧壁与所述前模之间 可形成一定的间隙，所述间隙即为形成的所述蜂窝芯材侧壁的厚度。
[0014] 进一步的，所述后模的任一所述正六棱柱有且仅有两个不相邻的侧壁与相邻所述 六棱柱的侧壁相对应贴近；且从所述后模的一端计，位于奇数位置的所述正六棱柱的中心 点的连线与位于偶数位置的所述正六棱柱的中心点的连线相平行；
[0015] 所述前模与所述后模相配合的部分为波浪形线性结构，其波峰和波谷具有与所述 后模的所述正六棱柱的排列形状相对应适配的形状。
[0016] 优选的，所述前模为一体成型的波浪形线性形状，或者是由若干与所述正六棱柱 的侧壁长度相等的活动片在拐点处通过连接轴连接而成，可成任意角度转动。
[0017] 所述后模还设有与所述正六棱柱的顶面相固定连接的顶板，所述顶板上选择性的 设置有与所述正六棱柱相对应的卡槽，通过所述卡槽可以调整所述正六棱柱之间的距离和 间隙。
[0018] 所述蜂窝芯材侧壁的厚度为0. 5~5mm。
[0019] 本实用新型还公开了上述模具用于制备具有Z向定向连续纤维增强的蜂窝芯材 的用途。
[0020] 本实用新型还公开了上述模具的使用方法，包括如下步骤：
[0021] (1)将所述后模固定于台面上，并调整相邻所述正六棱柱的侧壁之间的距离为待 制备蜂窝的壁厚，控制热塑性树脂颗粒处于熔融状态，将所述纤维材料与熔融态的树脂于 挤出机模口处浸润复合，备用；
[0022] (2)控制混有熔融树脂流体的纤维材料沿着后模靠近所述前模方向的前侧表面做 几字形往复运动，在所述后模的一侧堆积出半个蜂窝结构；
[0023] (3)此时推动前模与后模相配合，并控制所述前模与后模的配合间隙为所述蜂窝 的壁厚，所述热塑性树脂冷却定型即形成了半个蜂窝单元；
[0024] (4)将所述前模向后退出，并将其移至所述后模的后侧表面，在所述后模的后侧表 面重复上述步骤和，以形成整个的蜂窝单元；
[0025] (5)依次在所述后模的后侧表面重复上述步骤（2)和（3)，以制备下一组蜂窝单 元，直至形成整个的蜂窝结构芯材。
[0026] 为了制备所述具有Z向定向连续纤维增强性能的蜂窝芯材，本实用新型所述长纤 维材料可选择任何有增强作用的长纤维材料，包括但不限于玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤 维或碳纤维、棉纤维、竹纤维、尼龙纤维、锦纶、涤纶中的至少一种或几种混杂纤维。
[0027] 所述热塑性树脂选自聚乙烯、聚丙烯、热塑性聚酯树脂、热塑性聚氨酯、热塑性聚 碳酸酯或聚酰胺中的至少一种。
[0028] 并且进一步优选，以所述长纤维材料与树脂的总量计，所述长纤维材料的质量含 量为 10-50%。
[0029] 本实用新型还公开了一种可连续制备蜂窝芯材的装置，包括上述的模具、用于投 加料形成所述蜂窝芯材的物料的挤出机及纱架，以及控制所述前模1和/或后模2移动的 计算机控制系统。
[0030] 本实用新型所述模具采用分体式的活动前模和后模相配合以制备出蜂窝状结构 的芯材，所述前模和后模通过正六棱柱的规则排列，形成蜂窝状的结构，可利用前模和/或 后模的移动实现连续的蜂窝结构芯材的生产。相对于现有技术中先制备蜂窝框架再浸润树 脂固化的方案相比，其实现了更多方向及更大尺寸的蜂窝的延展性生产，使得制备的蜂窝 结构在长度、宽度、厚度方向上不受尺寸限制，可以制备大型的蜂窝结构。同时本实用新型 所述模具省去了以往费事耗力的制备蜂窝框架的步骤，可实现任意所需蜂窝形状产品的在 线连续生产，不仅工艺简单且节约模具成本。
[0031] 更重要的是，本实用新型所述模具可以直接以长纤维为原料辅以热塑性树脂生产 所述蜂窝芯材，相较于以往为了制备所述蜂窝框架必须将长纤维切散的工艺，本实用新型 所述模具可以实现直接以长纤维制备蜂窝芯材，进一步提高了其在Z向的连续纤维的增强 能力，制备的蜂窝结构芯材其Z向结构强度和承载能力大幅度提高，应用领域大幅度拓宽。
【附图说明】
[0032] 为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施 例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中
[0033] 图1为蜂窝的结构示意图；
[0034] 图2为本实用新型所述前模的结构示意图；
[0035] 图3为本实用新型所述后模的结构示意图；
[0036] 图4为本实用新型所述后模的侧面图；
[0037] 图中附图标记表不为：1_前模，2-后模，3-顶板，4-正六棱柱，5-凹陷部，6-波峰， 7_波谷，8-活动片，9-拐点。