一种无人机用轻量化环氧发泡复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及无人机材料，更具体地说，涉及一种无人机用轻量化环氧发泡复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、无人机凭借其零生命损伤、操作灵活、功能多样、环境适应性强等优势，在社会各领域的应用日益广泛。无论是军事侦察、物流配送还是农业监测，无人机的性能都与其自身重量密切相关。轻量化设计能够同步提升多项关键指标——延长电池续航时间、增加有效载荷能力以及优化整体飞行性能。因此，如何在保证结构强度的前提下最大限度地减轻结构重量，是无人机结构设计面临的核心挑战。

2、在无人机结构设计中，通常在高性能的内外蒙皮之间填充芯材。在利用蒙皮保证结构承载能力的前提下，芯材的轻量化是减轻无人机结构重量的重要途径之一。目前，常用的芯材包括聚甲基丙烯酰亚胺（pmi）泡沫、聚氨酯（pu）泡沫、聚异氰脲酸酯（pir）泡沫、聚丙烯（epp）泡沫等。这些泡沫材料各有特点：pmi泡沫具有优异的比强度和耐热性能，适用于高性能要求场合；聚氨酯和聚异氰脲酸酯泡沫具有良好的隔热性能和工艺适应性；epp泡沫则以其优异的抗冲击吸能性能著称。然而，现有泡沫夹心材料仍存在以下局限性：

3、力学性能不足。泡沫材料本身强度较低，抗压、抗剪能力有限，作为芯材层使用时主要起支撑蒙皮和传递载荷的作用，结构整体的刚度和强度过度依赖于两侧蒙皮。在承受较大弯曲或剪切载荷时，纯泡沫芯材容易发生压缩变形或剪切破坏，限制了其在主承力结构上的应用。

4、其次，现有泡沫芯材在厚度方向（z方向）上的增强手段有限。内外蒙皮和芯材组成的三明治结构通常仅在平面方向（x-y方向）上通过蒙皮实现，而在厚度方向上缺乏有效的纤维连接或增强结构。这导致三明治结构在受到垂直于面板方向的载荷时表现较弱，层间剪切强度和抗剥离性能不足，容易发生蒙皮与芯材的界面脱粘。

5、部分现有泡沫芯材的抗冲击性能不足。在无人机起降、运输或意外碰撞过程中，芯材层容易受到冲击载荷。开孔泡沫或低密度泡沫在冲击后容易发生不可恢复的压缩变形，导致结构性能下降。

6、现有泡沫芯材的防潮性能存在不足。部分泡沫芯材（如轻木、现有的开孔泡沫层等）具有吸水特性，水分自蒙皮破损处渗入后会导致芯材性能退化、重量增加，甚至引发蒙皮与芯材的界面脱粘，影响无人机蒙皮结构的长期可靠性。

7、有鉴于此，特提出本发明以解决上述技术问题

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种无人机用轻量化环氧发泡复合材料及其制备方法，以解决上述提出的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种无人机用轻量化环氧发泡复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、用玻璃纤维制备t型长条；

5、搭建玻纤骨架，将其配置为：若干t型长条的体长方向一致，沿体宽方向相邻分布，t型长条的腹板将翼缘一侧分隔为两个容置区，相邻两t型长条的腹板朝向相反，t型长条的腹板位于相邻t型长条朝向该腹板的容置区，抵接相邻t型长条的翼缘；

6、在得到的玻纤骨架外制备闭孔发泡结构，从而将玻纤骨架嵌入发泡结构内；

7、使用真空辅助树脂传递模塑成型方法将环氧树脂真空灌注入玻纤骨架与发泡结构间的缝隙，环氧树脂固化成型，得到无人机用轻量化环氧发泡复合材料。

8、可选地，真空辅助树脂传递模塑成型方法包括以下步骤：

9、玻纤骨架中，所有t型长条的体长两段都穿出发泡结构，将发泡结构置于真空封装袋中，真空封装袋于发泡结构沿t型长条体长方向的中部密封隔离两侧腔体，利用真空泵抽吸发泡结构，将玻纤骨架与发泡结构间缝隙间的空气抽走，在缝隙处形成负压环境，自玻纤骨架沿t型长条体长方向的一侧注入液态的环氧树脂，树脂完全浸润和填充缝隙后，室温静置或加热以使环氧树脂固化成型。

10、可选地，用聚异氰脲酸酯材料在得到的玻纤骨架外制备闭孔发泡结构。

11、可选地，用聚氨酯材料在得到的玻纤骨架外制备闭孔发泡结构。

12、可选地，发泡结构的泡沫密度为10-30kg/m3。

13、可选地，采用无捻粗纱的e玻璃纤维，排纱、用环氧树脂浸胶、预成型为连续的t型长条状结构、热模固化后切割为t型长条。

14、可选地，按质量份数，环氧树脂包括：

15、双酚a型环氧树脂基体40-100份；

16、增韧剂10-20份；

17、0-30μm的导热填料5-25份；

18、固化剂20-50份。

19、可选地，按质量份数，环氧树脂还包括：

20、偶联剂0.5-4份；

21、消泡剂0-1份。

22、根据本发明的另一方面提供一种无人机用轻量化环氧发泡复合材料，采用前述的制备方法制备得到。

23、相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

24、1、本发明兼顾了无人机的轻量化与结构强度，在闭孔发泡结构内部嵌入由玻璃纤维t型长条搭建的三维骨架。闭孔发泡结构本身密度极低，是实现轻量化的基础；而玻璃纤维骨架在x-y平面方向上以t型长条连续排布、相邻t型长条的腹板与翼缘相互抵接，形成了连续的三维玻纤网络。该网络在x-y平面方向（即蒙皮延展方向）上提供了连续的纤维增强路径，有效承担面内拉伸、压缩和剪切载荷；同时，t型长条的腹板在厚度方向（z方向）上贯穿发泡结构，为三明治结构提供了直接的z向支撑。因此，本发明以极低的泡沫密度实现了远超纯泡沫芯材的承载能力，在显著减轻结构重量的同时保证了足够的结构强度和刚度。

25、本发明采用先在玻纤骨架外部制备闭孔发泡结构、再真空灌注环氧树脂的工艺路线。由于发泡结构为闭孔体系，其泡孔内部不吸收树脂，树脂仅填充于玻纤骨架与发泡结构之间的缝隙中，因此树脂用量可控，不会因发泡结构过度吸树脂而导致芯材增重。同时，缝隙中的环氧树脂固化后，在玻璃纤维表面与发泡结构内壁之间形成牢固的机械锁合和化学键合界面，玻纤骨架、环氧树脂和发泡结构三者紧密结合为一个整体，有效提高了芯材内部各材料间的界面结合强度，减少了因界面脱粘导致分层破坏的风险。

26、2、本发明提升了芯材层的抗冲击与抗损伤性能。本发明中的闭孔发泡结构，其独立封闭的泡孔在受到冲击载荷时，泡孔内部的气体被瞬间压缩，气体压力升高，将冲击动能转化为气体内能，从而实现能量吸收。同时，泡孔壁的弹性变形也能耗散部分冲击能量。这种吸能机制不依赖于泡孔是否开孔，闭孔泡沫同样具备吸能能力。更重要的是，嵌入发泡结构内部的玻璃纤维三维骨架为泡沫提供了支撑，能够有效限制冲击载荷下泡沫的局部大变形，防止冲击区域塌陷，进而使本发明在保持闭孔泡沫优异防潮性能的同时，具备了良好的抗冲击吸能特性。

27、3、本发明提升了无人机的防潮与耐候性。本发明采用闭孔发泡结构作为基体。闭孔泡沫中每个气泡均为独立封闭的微小腔室，互不相通。即便无人机蒙皮发生破损，水分也难以在发泡结构内部渗透和扩散，能够将水分入侵限制在破损区域附近，避免大范围的芯材吸水增重和性能退化。同时，闭孔结构也避免了水分在蒙皮与芯材界面处积聚，有效降低了界面脱粘的风险，保障了无人机蒙皮结构在潮湿环境下的长期可靠性。

28、4、本发明改善了芯材与蒙皮界面的贴合状态稳定性。现有芯材层的力学性能差，完全依赖蒙皮承受弯曲或剪切载荷，纯泡沫芯材容易发生压缩变形或剪切破坏，因此容易导致蒙皮过度变形，也容易导致芯材层损坏，从而发生蒙皮与芯材的界面脱粘。本发明提升了芯材层的抗冲击与抗损伤性能，能够与蒙皮协同载荷，自身破损及变形风险降低，因此改善了芯材层与蒙皮间的界面贴合状态。

29、5、本发明在保证上述力学性能的前提下，提升了芯材层的曲面适配性与结构设计灵活性。本发明中，玻璃纤维三维骨架由若干t型长条搭建而成。相邻t型长条的腹板朝向相反，各t型长条的腹板位于相邻t型长条的容置区内并抵接其翼缘。这种抵接关系为可调整的角度配合关系，而非不可变形的刚性卡接或固定连接。在制备过程中，可根据无人机蒙皮的立体外形，通过调整相邻t型长条之间的抵接角度，使玻纤骨架整体形状与曲面蒙皮相适配。同时，t型长条的尺寸（如腹板高度、翼缘宽度等）可根据不同部位的实际需求进行调节，灵活适配宽缝、窄缝等不同的结构空间。这种设计使本发明能够适应无人机机身、机翼等不同曲率和厚度的结构部位，具有良好的结构设计灵活性。