本发明属于吸能复合材料，涉及一种碳纤维芳纶蜂窝复合板及其制备工艺和应用。
背景技术：
1、芳纶材料具有低密度低质量的特性，同时还有着优异的抗冲击性能。然而，随着现代社会的不断发展，人们对材料抗冲击性能的需求越来越高，现有的芳纶材料的抗冲击性能已无法满足人们的需求，且芳纶材料本身还存在价格昂贵的问题，这使得芳纶材料在各个领域上的应用受到一定的限制。
2、中国发明专利申请cn110341265a公开的一种吸能复合材料，该复合材料上表层为芳纶纤维布，下表层为芳纶纤维布，夹层为为玻璃纤维布，基体为芳烃树脂，利用玻璃纤维替代部分芳纶纤维，将芳纶纤维布和玻璃纤维布进行混杂，发挥各自的优异性能，从而实现其材料弹性模量的提升，有效的提升了芳纶复合材料的抗冲击性能。
3、中国发明专利cn113276523b公开了pbo纤维/芳纶纤维增强复合材料及其制备方法，该复合材料的面板为pbo纤维增强热固性树脂复合材料，背板为芳纶纤维增强热塑性树脂的复合材料，热固性树脂为聚酰亚胺热固性树脂，热塑性树脂为聚酰亚胺热塑性树脂；通过pbo纤维与芳纶纤维的粘接胶合，制备得到了高强度的芳纶复合材料。
4、以上技术都采用了与其他材料混杂或复合的方法去改善芳纶材料的强度和寿命，但这仍然是凭借材料本身的性质来吸收外界冲击所带来的能量，容易产生材料疲劳或损坏的问题，从而导致材料各方面性能下降。碳纤维芳纶蜂窝夹层复合材料是在两块碳纤维复合材料面板中间夹着厚而轻的芳纶纸蜂窝芯材，并采用胶粘剂在一定温度和压力下复合而成一个整体刚性结构，轻质蜂窝芯材具有高的强度重量比以及抗疲劳性能，纤维层用于增强补强。
5、中国发明专利cn105291524b公开了一种芳纶蜂窝夹芯板及其加工方法，该芳纶蜂窝夹芯板包括至少一层芳纶蜂窝芯以及强化层，所述强化层比所述芳纶蜂窝芯的层数多一层，所述芳纶蜂窝夹芯板的至少一个侧壁的表面为异形面，每两层相邻的所述强化层之间夹设一层所述芳纶蜂窝芯，以满足需要特殊形状的芳纶蜂窝材料的场合的要求。但其主要侧重曲线结构的设计，缺乏对材料力学性能、吸波性能以及抗疲劳性能方面的优化。
6、为拓展芳纶材料在航空航天、轨道交通及传感器等领域的应用，制备适合更多场景的芳纶蜂窝材料，有必要急需对当前芳纶蜂窝材料进行改进，在保证成本低、制备工艺简单的前提下，还需综合考虑其力学性能、吸波性能和抗疲劳性能的提升。
技术实现思路
1、本发明针对现有技术吸能复合材料存在的强度低、吸波性能差以及寿命短等问题，提供了一种碳纤维芳纶蜂窝复合板及其制备工艺和应用，该复合板质轻高强，兼具高的吸波性能和抗疲劳性能；且造价低，制备工艺简单；综合性能优异，应用更加广泛。
2、本发明的技术方案如下：
3、一种碳纤维芳纶蜂窝复合板，所述碳纤维芳纶蜂窝复合板由至少一层包含聚合物微球的芳纶蜂窝芯材、位于芳纶蜂窝芯材上下的碳纤维板和位于两碳纤维板中间的玻璃纤维布；所述碳纤维板的层数为芳纶蜂窝芯材层数的两倍，所述玻璃纤维布与芳纶蜂窝的层数相同。
4、本发明中，芳纶材料具有低密度低质量的特性和优异的抗冲击性能，同时利用其蜂窝结构良好的力学性能，并在芳纶蜂窝芯中加入可用于发电的聚合物微球，实现了芳纶材料抗冲击性能的提升和对振动能的收集和转化。
5、进一步地，所述芳纶蜂窝芯材的蜂窝孔格为正六边形或内凹六边形，孔格边长为1.5-4mm；芳纶蜂窝芯材密度为25-48kg/m3。
6、进一步地，所述芳纶蜂窝芯材层数为1-5层，单层板厚为2-3mm。
7、本发明中，碳纤维芳纶蜂窝复合板成品层数和厚度可按实际需求进行调整，考虑集能效率，优选层数为1-5层。
8、进一步地，所述聚合物微球选自聚四氟乙烯微球、聚氯乙烯微球、聚甲醛微球中的至少一种。
9、再进一步地，所述聚合物微球直径比所述蜂窝孔格内所允许放下的最大聚合物微球直径小1mm及以下。
10、在本发明的一些实施例中，当蜂窝孔格内所允许放下的最大聚合物微球为x(mm)时，实际使用聚合物微球直径为x-1至x(mm)；以次来在保证聚合物微球可在蜂窝孔格内自由移动的前提下，获得最佳的吸能效率和力学性能；若聚合物微球直径小于x-1(mm)，碳纤维芳纶蜂窝复合板的吸能效率及力学性能均显著下降。
11、本发明还提供了上述碳纤维芳纶蜂窝复合材料板的制备方法，具体包括以下步骤：
12、(1)制备芳纶蜂窝芯材和碳纤维板；
13、(2)将聚合物微球置于芳纶蜂窝芯材空隙内，将热破胶膜贴于上下端面，得到含聚合物微球的芳纶蜂窝芯材；
14、(3)按碳纤维板、含聚合物微球的芳纶蜂窝芯材、碳纤维板、玻璃纤维布的顺序装配，经预热、加热、鼓风、冷却，即得。
15、在本发明的一些实施例中，所述热破胶膜按重量份数计，包括：65-85份树脂、5-15份胶膜、5-10份促进剂；所述树脂选自环氧树脂、聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯和双马来酰亚胺树脂中的一种或多种。
16、进一步地，所述芳纶蜂窝芯材制备方法如下：
17、a1：在芳纶纸上涂覆胶粘剂，按错位方式叠合，经固化后得到蜂窝叠层条；
18、a2：对蜂窝叠层条进行拉伸，形成蜂窝孔；
19、a3：形成蜂窝后经浸胶、固化、冷却，即得芳纶蜂窝芯材。
20、更进一步地，步骤a3中，所述浸胶过程采用固含量15-50％聚酰亚胺水溶液，浸胶时间为15-30min；所述固化成型条件为：从室温以2-5℃/min升温至350-400℃，恒温2-3h后，降温至60℃以下。
21、在本发明的一些实施例中，步骤a3重复1-8次。
22、在本发明的一些实施例中，芳纶纸上涂覆胶粘剂具体操作为：将胶粘剂用凹槽宽度为蜂窝孔格边长四倍的涂胶辊涂印到芳纶纸上。
23、在本发明的一些实施例中，步骤a2采用拉伸速率为20-300mm/s。
24、进一步地，所述碳纤维板的制备方法如下：
25、b1：将碳纳米管和黏合树脂和混合并搅拌均匀；得到碳-树脂混合物；
26、b2：向碳-树脂混合物中加入固化剂，搅拌混合均匀，得到碳纤维黏合树脂；
27、b3：通过浸渍将碳纤维黏合树脂涂覆于碳纤维布，经冷却，即得碳纤维板。
28、更进一步地，所述碳纳米管、黏合树脂和固化剂的质量比为0.3-5：40-60：10-30。
29、再进一步地，所述黏合树脂选自环氧树脂、酚醛树脂和聚氨基树脂中的任一种。
30、更进一步地，所述碳纤维黏合树脂涂覆厚度为100-400nm。
31、更进一步地，所述浸渍温度为室温-80℃，浸渍时间为20-100min。
32、在本发明的一些实施例中，碳纤维布的型号为15k或24k，玻璃纤维布的型号为ewr200-100或ewr300-100。
33、进一步地，步骤(3)中，预热温度为100-150℃，预热时间为2-5min。
34、进一步地，步骤(3)中，加热时间为30-60s。
35、进一步地，步骤(3)中，鼓风速度为0.2-0.5m/s。
36、进一步地，步骤(3)中，冷却时间为15-90min。
37、本发明还提供了上述任一碳纤维芳纶蜂窝复合板或上述任一所述的制备工艺制备得到的碳纤维芳纶蜂窝复合板在航空航天材料、轨道交通材料或传感器材料中的应用。
38、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
39、(1)本发明利用了芳纶蜂窝结构为碳纤维芳纶蜂窝复合板提供了良好的力学性能、吸能性能和抗疲劳性能；
40、(2)本发明通过对碳纤维芳纶蜂窝复合板层数的优化，提高了单层吸能效率；
41、(3)芳纶蜂窝空隙中加入可用于发电的聚合物微球，实现了芳纶材料强度的提升以及对振动能的收集和转化；解决了传统芳纶材料强度不足及成本高的问题，同时还对冲击产生的能量进行收集，实现了能量的循环利用；
42、(4)本发明可按场景需求制备相应的碳纤维芳纶蜂窝复合材料板，在航空航天、轨道交通及其他强震或强冲击的场景中有重要应用，同时也可用于智能地板等传感器领域。
1.一种碳纤维芳纶蜂窝复合板，其特征在于，所述碳纤维芳纶蜂窝复合板由至少一层包含聚合物微球的芳纶蜂窝芯材、位于芳纶蜂窝芯材上下的碳纤维板和位于两碳纤维板中间的玻璃纤维布组成；所述碳纤维板的层数为芳纶蜂窝芯材层数的两倍，所述玻璃纤维布比芳纶蜂窝的层数少一层。
2.根据权利要求1所述的碳纤维芳纶蜂窝复合板，其特征在于，所述芳纶蜂窝芯材的蜂窝孔格为正六边形或内凹六边形；芳纶蜂窝芯材密度为25-48kg/m3；所述芳纶蜂窝芯材层数为1-5层；所述聚合物微球选自聚四氟乙烯微球、聚氯乙烯微球和聚甲醛微球中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的碳纤维芳纶蜂窝复合板，其特征在于，所述蜂窝孔格边长为1.5-4mm；所述聚合物微球直径比所述蜂窝孔格内所允许放下的最大聚合物微球直径小1mm及以下。
4.根据权利要求1-3任一所述的碳纤维芳纶蜂窝复合板的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于，所述芳纶蜂窝芯材制备方法如下：
6.根据权利要求5所述的制备工艺，其特征在于，步骤a3中，所述浸胶过程采用固含量15-50wt％聚酰亚胺水溶液，浸胶时间为15-30min；所述固化成型条件为：从室温以2-5℃/min升温至350-400℃，恒温2-3h后，降温至60℃以下。
7.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于，所述碳纤维板的制备方法如下：
8.根据权利要求7所述的制备工艺，其特征在于，所述碳纳米管、黏合树脂和固化剂的质量比为0.3-5：40-60：10-30；所述黏合树脂选自环氧树脂、酚醛树脂和聚氨基树脂中的任一种；
9.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于，步骤(3)中，预热温度为100-150℃，预热时间为2-5min；加热时间为30-60s；鼓风速度为0.2-0.5m/s；冷却时间为15-90min。
10.根据权利要求1-4任一所述的碳纤维芳纶蜂窝复合板或权利要求5-9任一所述的制备工艺制备得到的碳纤维芳纶蜂窝复合板在航空航天材料、轨道交通材料或传感器材料中的应用。
