[0001] 本发明涉及复合材料技术领域，更具体地说，本发明涉及一种三维编织改性玻璃纤维结构及其制备方法。

[0002] 随着工程领域的不断发展和进步，对工程材料的要求不断提高，既要轻量化，又要具有良好的机械性能。在航空航天、轨道客车、建筑工程、医疗设备等行业中，通常需要能够
承受一定外力、具有减震能力、具有保温效果等的外部结构，而在现有技术中，具有上述功
能的外部结构通常需要复杂的结构来实现，复杂的结构通常意味着无法轻量化。

[0003] 因此，有必要提出一种三维编织改性玻璃纤维结构及其制备方法，以至少部分地解决现有技术中存在的问题。

[0042] 下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

[0043] 应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

[0044] 如图1‑图2所示，本发明提供了一种三维编织改性玻璃纤维结构，包括：由玻璃纤维1编织形成的两个纤维层4和支撑层5，所述玻璃纤维1表面经过改性处理后形成界面层2，
所述玻璃纤维1通过界面层2与包裹在玻璃纤维1外侧的树脂结构层3结合。

[0045] 通过玻璃纤维1编织形成如图1所示的纤维层4和支撑层5，然后对形成的三维编织结构进行改性处理，使得玻璃纤维1表面形成界面层2，界面层2能够提升玻璃纤维1与树脂
的结合能力，而树脂结构层3采用环氧树脂，其具有高拉伸强度和刚度，且电气性能和耐化
学性能较高，所以本发明采用玻璃纤维1编织形成的结构作为增强相，采用环氧树脂为基
体，形成复合材料结构，使其具备更好的机械性能；

[0046] 树脂结构层3实现形式为，环氧树脂可以发泡形式填充在三维编织结构的空隙内，则发泡的环氧树脂包裹在玻璃纤维1外侧而形成树脂结构层3，这种形式形成的复合材料结
构能够承受一定的外力，并且具备减震降噪和保温的效果；或者，将三维编织结构浸润在环
氧树脂中，使玻璃纤维1表面均匀包裹着环氧树脂而形成树脂结构层3，与前述形式相比，不
具备保温效果；具体的可依据实际情况进行选择制备；

[0047] 由于玻璃纤维1与树脂基体易发生损伤，例如由于界面脱粘、微裂纹和分层而提前失效，影响形成的复合材料的机械性能，因此，需要对玻璃纤维1进行改性处理，使其与环氧
树脂具备更好的结合能力，从而防止玻璃纤维1与环氧树脂发生损伤，保证形成的结构的机
械性能，提高载荷传递效率，减少界面应力集中，进一步提升整体性能。

[0048] 在一个实施例中，所述纤维层4和支撑层5的空隙中填充有发泡环氧树脂6。

[0049] 发泡环氧树脂6能够与纤维层4和支撑层5的玻璃纤维1的界面层2进行结合，发泡环氧树脂6内具有很多气泡孔，玻璃纤维1可以利用气泡孔的空间变形而松弛局部应力，即
纤维层4和支撑层5受力后，能够向发泡环氧树脂6传递载荷，发泡环氧树脂6对玻璃纤维1起
到弹性支撑作用，在产生振动时，发泡环氧树脂6能够承受冲击振动载荷，具有更好的承载
能力，吸收振动，从而实现减振降噪的目的；并且，环氧树脂本身还具备保温效果，因此，纤
维层4和支撑层5与发泡环氧树脂6的结合，能够同时具备减振降噪和保温的效果，能够适用
更多工况。

[0050] 如图3和图4所示，在一个实施例中，所述支撑层5包括：连接于两个纤维层4之间的多个第一支撑体51和多个第二支撑体52，所述第一支撑体51和第二支撑体52交错布置。

[0051] 进一步地，支撑层5还包括：空间区域，即如图3所示的镂空处；支撑层5采用仿生结构，能够具备更好的承载能力。

[0052] 进一步地，所述第一支撑体51为S形，所述第二支撑体52为与第一支撑体51对称设置的S形。

[0053] 第一支撑体51和第二支撑体52形成“8”字形，在承受振动冲击时，能够吸收振动，并且，第一支撑体51和第二支撑体52能够与发泡环氧树脂6配合，进一步提升承载力和减振
效果。

[0054] 如图3和图4所示，在一个实施例中，所述纤维层4由经向纤维和纬向纤维编织形成，所述支撑层5由结接纤维与两个纤维层4的纬向纤维编织形成。

[0055] 如图3和图4中的第一支撑体51和第二支撑体52由结接纤维编织形成，纤维层4由经向纤维和纬向纤维编织形成。

[0056] 如图5所示，本发明还提供了一种三维编织改性玻璃纤维结构的制备方法，包括：

[0057] S1、由玻璃纤维1编织形成具有两个纤维层4和一个支撑层5的三维编织结构；

[0058] S2、对三维编织结构依次进行加热处理和改性处理，使玻璃纤维1表面形成界面层2，获得处理后的三维编织结构；其中，对三维编织结构加热处理的温度为250摄氏度；

[0059] 在此步骤中，通过对三维编织结构进行加热，使其在250摄氏度下去除表面施胶剂，然后再进行改性处理，改性处理所采用的改性剂进行水解、聚合，通过化学键作用生长
在玻璃纤维1表面形成界面层2；

[0060] S3、将处理后的三维编织结构形成所需要的三维骨架；

[0061] S4、向三维骨架中填充制备好的环氧树脂泡沫溶液；

[0062] S5、对填充环氧树脂泡沫溶液的三维骨架进行加热，使环氧树脂泡沫溶液发泡，固化后成型。

[0063] 在步骤S3中的三维骨架可以是任意结构形式，具体依据实际需要而定；例如，三维骨架可以是多层的三维编织结构，而在进行环氧树脂泡沫溶液填充时，可将多层的三维编
织结构放置在一个容器内，再进行填充；

[0064] 制备好的环氧树脂泡沫溶液还未发泡，为了防止在填充过程中出现消泡的情况，先向三维骨架内进行填充，填充好后再进行发泡处理，这样环氧树脂泡沫溶液发泡过程能
够均匀且稳定的进行，且不受填充过程的影响，固化后形成与玻璃纤维1结合的发泡环氧树
脂6。

[0065] 进一步地，对填充环氧树脂泡沫溶液的三维骨架进行加热的温度为110摄氏度，加热的时间为40分钟。

[0066] 环氧树脂泡沫溶液中采用有机微球D31DU40进行发泡，其能够在液态环氧树脂中受热膨胀形成发泡孔结构，其形成的孔径大小均匀，有机微球D31DU40的外壳壁材质由丙烯
腈系、1，1‑二氯乙烯系或丙烯酸系单体和交联剂在引发剂作用下聚合生成的热塑性聚合物
组成，在温度80摄氏度‑130摄氏度时，微球液态低沸点芯材气化膨胀，对外层囊膜产生压
力，使受热软化的囊膜撑开，形成膨胀微球填充环氧树脂；在本实施例中，加热温度选择110
摄氏度，形成的发泡孔结构的力学性能较好。

[0067] 如图6所示，在一个实施例中，对三维编织结构进行改性处理包括：

[0068] S21、将硅烷偶联剂和乙醇溶液在搅拌器中进行均匀分散，获得混合溶液；其中，乙醇溶液的PH值为5；

[0069] 其中，均匀分散在磁力搅拌器中进行，均匀分散时间为3小时；硅烷偶联剂的浓度为1.3％～3％，乙醇溶液选用浓度为70％的乙醇溶液；

[0070] S22、将加热处理后的三维编织结构放入混合溶液中进行改性处理，达到第一设定时间后取出并进行烘干处理，获得处理后的三维编织结构；

[0071] 具体的是，第一设定时间为1小时；将三维编织结构放入混合溶液中进行水解1小时，然后取出并放入烘箱内进行烘干处理，烘干温度为50摄氏度。

[0072] 硅烷偶联剂在呈弱酸性的乙醇水溶液中发生水解反应，水解基团生成硅醇基，然后进一步水解生成的产物进行缩聚反应，而产生长分子链成为低聚物，低聚物经干燥处理
后，可通过氢键的形式与玻璃纤维1的表面羟基反应，使得改性剂生长在玻璃纤维1表面；

[0073] 经过改性处理后的玻璃纤维1表面由光滑变得粗糙，使界面层2的机械结合能力增加，提升与环氧树脂的结合能力；对于改性前和改性后的玻璃纤维1进行测试，将两种玻璃
纤维1的2mm长度的末端均浸润在环氧树脂中，环氧树脂在半固化时，将两种玻璃纤维1拔
出，然后记录载荷随时间的变化情况，能够获得两种玻璃纤维的界面强度，结果表明，改性
后较改性前的玻璃纤维1的界面强度提升了46.8％，表明改性后的玻璃纤维1与环氧树脂的
结合能力更强；采用硅烷偶联剂对玻璃纤维1进行改性，对玻璃纤维1的损伤较小，且界面性
能提升显著。

[0074] 在一个实施例中，环氧树脂泡沫溶液的制备包括：

[0075] 将20.8％的固化剂与3.5％的发泡剂混合，并进行超声震荡30分钟，获得溶液A；

[0076] 超声震荡能够使发泡剂在固化剂中均匀分布；

[0077] 将1％的稳泡剂和1％的乳化剂混合，磁力搅拌30分钟，获得溶液B；

[0078] 稳泡剂能够使后续形成的发泡孔结构更稳定且尺寸更加均匀，乳化剂能够将难溶于固化剂和环氧树脂的稳泡剂乳化，使其均匀分布在固化剂和环氧树脂中；

[0079] 将溶液A和溶液B进行均匀混合；

[0080] 将3.5％的固化剂、69.2％的环氧树脂和1％的促进剂混合，磁力搅拌10分钟后，放入60摄氏度烘箱进行预固化10分钟，获得溶液C；

[0081] 将溶液A和溶液B混合后的溶液加入至溶液C，磁力搅拌10分钟，获得环氧树脂泡沫溶液。

[0082] 进一步地，发泡剂采用有机微球D31DU40，固化剂采用DM230，稳泡剂采用二甲基硅油、乳化剂采用吐温‑80，促进剂采用DMP。

[0083] 上述方案中，使环氧树脂与一部分固化剂提前进行预固化，能够使环氧树脂部分交联、预聚，散发一部分热量，减少固化过程中的热量集中，避免出现烧焦的情况；并且，预
固化能够达到一定的黏度，对后续发泡剂发泡时，提供一定的支撑，使得形成的发泡孔结构
更加均匀稳定。

[0084] 如图7所示，在一个实施例中，向三维骨架中填充制备好的环氧树脂泡沫溶液，包括：

[0085] S41、将三维骨架放置在与其匹配的模具中，模具上设有进液口和排气口；

[0086] 其中，进液口和排气口可分别设置在模具相对的两侧；

[0087] S42、由进液口向模具内输送环氧树脂泡沫溶液，同时通过排气口将模具内的气体排出，并实时检测环氧树脂泡沫溶液的填充量；

[0088] 其中，环氧树脂泡沫溶液的填充量可通过检测进液口处环氧树脂泡沫溶液的总流量获得；

[0089] S43、当环氧树脂泡沫溶液的填充量达到设定量时，使排气口关闭，由进液口继续向模具内输送环氧树脂泡沫溶液，并实时检测模具内的压力；

[0090] 其中，设定量的设计，使得环氧树脂泡沫溶液的填充量达到设定量之前，环氧树脂泡沫溶液不会从排气口排出；

[0091] S44、当模具内的压力达到设定压力时，控制模具内的压力维持在压力设定范围内，达到第二设定时间后，使进液口关闭；

[0092] 其中，设定压力的设计与环氧树脂泡沫溶液的粘稠度和三维骨架的最小空隙尺寸相关，在填充前，依据三维骨架的最小空隙尺寸和粘稠度确定设定压力，然后再进行填充，
即设定压力为：参考压力与填充系数的乘积；填充系数为：环氧树脂泡沫溶液的粘稠度和其
对填充压力的影响系数的乘积，与三维骨架的最小空隙尺寸和其对填充压力的影响系数乘
积之和，其中两个影响系数可通过经验获得；

[0093] 第二设定时间为5分钟，压力设定范围具有上限值和下限值，而设定压力为压力设定范围的下限值；即需要通过控制环氧树脂泡沫溶液的输送以维持模具内的压力，从而使
得环氧树脂泡沫溶液在此压力作用下能够充分填充至三维骨架的空隙内，保证填充的均匀
性和完整性。

[0094] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“经向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0095] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以
是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的
普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0096] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地
实现另外的修改，因此在不背离本发明所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节
与这里示出与描述的图例。