一种FML面板-梯度PMI泡沫夹芯结构及其设计方法

本发明涉及复合材料结构，尤其涉及一种fml面板-梯度pmi泡沫夹芯结构及其设计方法。

背景技术：

1、夹芯结构通常由上下面板与中间芯材构成，其中面板主要承受弯矩，芯层承担剪切作用并提供轻量化与吸能功能。在高性能夹芯结构中，纤维金属层合板（fml）因兼具金属材料的高韧性与纤维复合材料的高比强度，在抗冲击、抗疲劳及抗裂纹扩展方面表现出显著优势，已逐步应用于机翼蒙皮、机身结构等关键承载部位，成为夹芯结构面板的重要形式之一。

2、常用泡沫芯材包括聚氨酯（pu）、聚氯乙烯（pvc）、聚苯乙烯（ps）、聚醚酰亚胺（pei）及聚甲基丙烯酰亚胺（pmi）等。其中pmi泡沫不仅具有优异的抗压和抗剪强度，还能有效吸收冲击能量，并在较高温度环境下保持稳定的力学性能，是构建高性能夹芯结构芯层的理想选择之一。

3、然而，传统pmi泡沫芯层多采用均质设计，即芯层沿厚度方向密度均一、性能单一，无法针对结构不同受力区域进行性能优化：受压区域的抗压性能未能充分发挥，受剪区域则未能有效减重，且面板与芯层之间因刚度不匹配而容易在界面处产生应力集中，进而引发脱粘等失效形式，制约了夹芯结构整体承载效率的进一步提升。

4、为克服传统均质芯层设计的局限，提出在芯材内部引入连续或分级变化的物理参数（如密度、孔径、成分及弹性模量等）的梯度设计思路，以实现材料性能在空间上的优化分布。该思路不仅能有效提升材料的强度、刚度和吸能性能，还能最大限度地减轻重量，增强整体结构的性能。其中，密度梯度设计，能够解决传统夹芯结构中面板与芯层刚度不匹配的问题，减少界面剪切应力引发的损伤，同时提高结构的设计灵活性，满足不同工况下对承载力的优化需求。然而，现有研究多集中于单一密度梯度形式，对密度梯度的多种实现形式（对称、非对称、正向、负向梯度等）及其与高性能面板材料（如fml）的协同设计仍缺乏系统性方案，相应的定量设计方法和配套制造工艺也有待完善。

技术实现思路

1、针对现有夹芯结构中泡沫芯层均质设计难以适应复杂受力环境、面板与芯层界面易出现应力集中和脱粘、且密度梯度设计形式单一、缺乏与fml面板协同的系统性方案等技术问题，本发明提供一种fml面板-梯度pmi泡沫夹芯结构及其设计方法，该结构包括上层fml面板、下层fml面板及设置于二者间的梯度pmi泡沫芯层，芯层沿厚度方向呈密度梯度分布，梯度形式包括对称梯度、非对称梯度、正梯度和负梯度；本发明对泡沫芯层密度沿厚度方向进行梯度化设计，结合面板与芯层间的界面胶接及真空袋辅助固化复合工艺，实现结构性能沿厚度方向的优化分布，缓解界面应力集中，在不显著增加重量的前提下提高夹芯结构弯曲承载能力、抗冲击性能及损伤容限；本发明并提供密度梯度参数的定量设计方法及配套制造工艺，适用于航空航天、轨道交通、建筑等轻量化高性能工程领域。

2、为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案具体为：一种fml面板-梯度pmi泡沫夹芯结构，包括上层fml面板、下层fml面板，以及设置于所述上层fml面板和下层fml面板之间的梯度pmi泡沫芯层，所述梯度pmi泡沫芯层沿厚度方向呈密度梯度形式分布；

3、所述上层fml面板或所述下层fml面板由两层金属层和设置在两层金属层之间的单层纤维增强层构成；

4、所述梯度pmi泡沫芯层由自上而下依次设置的上高密度区、中密度区、下高密度区组成；所述上高密度区和下高密度区分别邻接所述上层fml面板的界面和下层fml面板的界面；

5、所述上层fml面板、下层fml面板与梯度pmi泡沫芯层上下界面通过胶粘剂层进行连接。

6、进一步地，所述上高密度区、中密度区、下高密度区相邻密度区域间设有泡沫层间过渡层。

7、进一步地，所述密度梯度形式包括对称梯度、非对称梯度、正梯度、负梯度以及分层梯度或连续梯度中的一种或多种组合；

8、所述对称梯度：所述梯度pmi泡沫芯层沿厚度方向密度分布：相对于芯层中间面呈对称设置；如两侧密度高、中部密度低，或两侧密度低、中部密度高；

9、非对称梯度：所述梯度pmi泡沫芯层沿厚度方向密度分布：相对于芯层中间面非对称设置，两侧密度变化幅度或速率不同，可根据结构受力需求灵活设计；

10、正梯度：所述梯度pmi泡沫芯层沿厚度方向自下而上单调递增；

11、负梯度：所述梯度pmi泡沫芯层沿厚度方向自下而上单调递减，与正梯度互为镜像关系。

12、进一步地，所述梯度pmi泡沫芯层分别贴合所述上层fml面板界面、下层fml面板界面的区域密度高，中密度区密度低。

13、进一步地，所述梯度pmi泡沫芯层沿厚度方向呈密度梯度形式分布，通过沿厚度方向连续梯度设计或分层梯度设计，各区域密度参数根据设计要求进行定量调控，密度分布函数表示为，其中为厚度方向坐标，为初始密度，为梯度系数。

14、为了更好地实现本发明的目的，本发明还提供了一种分层发泡模具，应用于制作本发明fml面板-梯度pmi泡沫夹芯结构，分层发泡模具包括：

15、分层发泡模具本体，所述分层发泡模具本体由模具底板和模具侧壁共同构成发泡型腔。

16、为了更好地实现本发明的目的，本发明又提供了一种fml面板-梯度pmi泡沫夹芯结构的设计方法，包括以下步骤：

17、步骤s1、fml面板预制：选用厚度为0.3mm-0.6mm的铝合金薄板作为金属层，选用碳纤维/环氧树脂预浸料作为纤维增强层，按照“金属层/纤维增强层/金属层”或“金属层/纤维增强层/…/纤维增强层/金属层”的铺层顺序进行叠层，分别制备上层fml面板和下层fml面板；铺层完成后，将层合结构置于真空袋中进行抽真空处理，真空度控制在-0.08～-0.095mpa，并采用热压或釜压固化工艺，在0.3～0.6mpa成型压力下加热固化，固化温度控制在120～180℃，保温时间为1～2h，使环氧树脂浸润纤维增强层并完成固化反应，固化完成后冷却至室温，脱模并对面板表面进行打磨处理，备用；

18、步骤s2、梯度pmi泡沫芯层制备：根据设计要求确定梯度pmi泡沫芯层厚度方向的密度分布形式采用分层梯度结构，通过调节原料配方、发泡剂含量及发泡工艺参数控制各区域泡沫密度，芯层密度范围设定为50～200kg/m³；

19、步骤s3、芯层层间热压复合：将步骤s2制备得到的梯度pmi泡沫芯层进行层间热压复合处理，热压温度控制为150～180℃，热压压力控制为0.2～0.5mpa，保压120min后冷却成型；

20、步骤s4、界面胶粘剂涂覆：将制备完成的梯度pmi泡沫芯层置于下层fml面板之上，在下层fml面板面与梯度pmi泡沫芯层界面均匀涂覆胶粘剂层，随后铺设上层fml面板，形成夹芯结构预制体；

21、步骤s5、真空袋辅助固化复合：在步骤s4制得的夹芯结构预制体表面依次铺设隔离膜、透气毡、覆盖真空袋膜，并利用密封胶带密封于工装平台边缘，通过真空接头连接真空管路抽真空，真空度控制为-0.08～-0.095mpa；采用热压或釜压固化工艺，在0.2～0.5mpa成型压力、80～140℃固化温度条件下保温1～2h，使胶粘剂层充分流动并填充界面微孔，完成固化反应，实现上层fml面板、梯度pmi泡沫芯层及下层fml面板之间的整体复合；

22、步骤s6、脱模与后处理：固化完成后，自然冷却至室温，脱模并进行边缘修整、尺寸修整及表面清理，即得到fml面板-梯度pmi泡沫夹芯结构成品。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

24、（1）实现结构性能梯度优化与轻量化设计：通过对pmi泡沫芯层进行密度梯度设计，使夹芯结构在不同受力区域（受压区、受剪区）具有与之相配的局部力学性能，在满足承载强度要求的同时提高材料的利用率，实现结构轻量化，并提升整体力学性能。

25、（2）增强抗冲击与抗疲劳性能：fml面板本身具有优异的抗冲击、抗疲劳和抗裂纹扩展性能；梯度pmi泡沫芯层中靠近面板的高密度区可抵抗冲击初期的局部压入，中部低密度区则优先发生渐进式压溃以持续吸收冲击能量，二者协同作用进一步降低冲击力峰值、提升夹芯结构整体的抗冲击能力，适合应用于航空、轨道交通、汽车、建筑等高性能要求领域。

26、（3）界面应力缓解：芯层密度沿厚度方向的梯度过渡有效缓解了面板与芯层之间刚度突变带来的界面剪切应力集中，降低了脱粘失效风险，提高了结构可靠性。

27、（4）设计灵活性与可控性：本发明提供的密度梯度形式（对称、非对称、正、负梯度）及分层/连续两种实现方式，可根据不同工况的受力需求灵活组合，便于结构的精准化、功能化设计；配套的真空加压成型、分层发泡及真空袋辅助固化复合工艺参数明确，具有良好的工程可重复性，有利于规模化制造。