CN102950825B - 一体化的耐久型柱芯封边夹层板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化的耐久型柱芯封边夹层板，包括具有柱芯中空层的板体，其中中空层由上层、下层和封边围合而成，其特征在于：所述的中空层的厚度与板体的厚度之比为10～60%，在所述的中空层内设置有分散的与板体成一体的小柱，小柱的一端与上层连接，小柱的另一端与下层连接，小柱面积之和占中空层面积的10～50%，所述小柱换算成与圆同面积下直径的特征尺寸大于中空层厚度的二分之一。与现有技术相比，本发明具有轻质，高强，一体化制备蜂窝板无需粘结剂，低碳环保，具有可设计性高，工艺简单等特点。

Description

一体化的耐久型柱芯封边夹层板

技术领域

本发明涉及一种仿生轻质封边夹层(芯)板，尤其涉及一种轻质耐久型柱芯封边夹层板构造。

背景技术

(蜂窝)夹层板已经在工业中得到广泛的应用，一种一体化有柱蜂窝仿生夹层板也已提出数年（专利号：ZL.03 1 16503.6），但过去蜂窝板材都是通过粘结或镶嵌等多体成型工艺制作。本发明人在优秀生物结构的吸引下，经过坚持不懈的努力，率先开发了一体化（有柱）蜂窝技术（专利号：ZL 2010 2 0113926.9，ZL201010228680.4）及其一种一体化蜂窝板的仿生封边技术(专利申请号：2011 1 0234562.9)。本发明的思路仍然来自于对甲虫前翅的研究结果，受优秀生物结构的启发所致：

申请人长期对甲虫前翅结构及其仿生轻质复合材料开发的研究中再次发现：1)独角仙和锹形虫均有具有中空层，和天然的封边结构。两种甲虫的中空层中除了都有很多小柱以外，独角仙前翅中有许多蜂窝结构，结构更为复杂，而锹形虫前翅中则没有；2)独角仙前翅中的小柱细而长，锹形虫的小柱粗而短，同时每平方毫米上平均的小柱密度，锹形虫约为35，独角仙大约6，两者相差近6倍；3)前翅断面中的中空率，独角仙高，而揪形虫低，相差约为2倍，因此揪形虫前翅远比独角仙厚实。

据此可知，锹形虫主要通过数量（小柱直径，密度，上下层厚度）的变化，达到厚实耐久的设计效果，而独角仙则通过更多设计手法，如蜂窝结构和（雄性）前翅纤维叠层的非等角的叠层结构来达到轻量化的目的。那么，为什么这两种甲虫会有这么大的区别呢？这很可能和甲虫的生存期限有关：锹形虫有的能够越冬，而独角仙则不能越冬，大约只能生存数周。虽然没有考证两种甲虫准确的生存期限，粗略地假设锹形虫生存期限为2年，而独角仙为1-2个月，则其生存期限的差异约为10多倍。从工程意义上讲，不妨称锹形虫为“耐用品”，而独角仙为一次性的“消耗品”。另外，如前所述雄性独角仙因经常争斗，其前翅中容易出现小孔洞，这可以理解为独角仙前翅在强度上不如锹形虫前翅。因此锹形虫的前翅耐久性更好。

尽管目前有根据本人所得的甲虫前翅中小柱结构模型进行强度解析的报道，但尚无对含有封边结构及其锹形虫的前翅耐久性结构特征的报道，因此，根据对甲虫前翅最新的认识，以锹形虫前翅结构特征为原型，提炼出了一种轻质耐久型柱芯封边夹层强化板的仿生结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，通过对独角仙和锹形虫两种甲虫的研究，提供了一种无需蜂窝状结构而具有耐久性好、结构简单易于加工的耐久型柱芯封边夹层板。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种耐久型柱芯封边夹层板，包括具有中空层的板体，其中中空层由上层、下层和封边围合而成，其特征在于：所述的中空层的的厚度与板体的厚度之比为10～60%，在所述的中空层内设置有分散的与板体成一体的小柱，小柱的一端与上层连接，小柱的另一端与下层连接，且均为天然一体的无缝连接，小柱面积之和占中空层面积的10～50%，所述小柱换算成与圆同面积下直径的特征尺寸大于中空层厚度的二分之一。

上述参数，如用数式表示为：

$0.1\≤\frac{S_t}{S}\≤0.5---\left(1\right)$

$0.1\≤\frac{L_v}{T}\≤0.6---\left(2\right)$

$d\≥\frac{1}{2}{L}_v---\left(3\right)$

上述各式中，S为板内中空层的面积，L_v为板的中空层厚度，T为板的总厚度，d为小柱的等效直径，S_t代表板所有小柱的面积之和，它由正式计算：

（n为板内小柱的根数）  (4)

上述(1)到(4)式中，共有S,L_v,T,d,S_t和n六个独立的参数，因此可通过调整这六个独立的参数达到积各自前三式中所设定的取值范围，不会发生相互冲突的情况。

所述的小柱为圆柱、棱形或长方形柱。

所述的板体和小柱的材料为均质材料，或由强化纤维和树脂构成的异方性的复合材料。

小柱密度均匀分布；或者小柱密度或直径从板体的一侧向另一侧依据板体强度大小变化，板体强度要求大，则小柱密度或直径大；板体强度要求小，则小柱密度或直径小。

板体外形为平面板、曲面板或球形板，并且中空层的厚度可根据位置变化。也就是说，如板总厚度一定，上层板一端百度为5mm,另一端为3mm，这样中空层厚度自然是变化的。

夹层板的封边侧带横向联接结构。

经观察研究，正如“背景技术”所述的那样，根据锹形虫前翅结构特征为原型，去掉了申请人在在之前几份专利申请中的蜂窝结构，它由上层、下层和含有小柱的中空层(芯层)及其四周的封边部分组成。这种一体化夹层强化板，它既不要粘接，也无需用钉子，镶嵌等的机械连接，而且具有简便易行，无任何接缝，天然一体等优点。此外，在我们一系列的研究中已经证实，由于甲虫前翅中有小柱，小柱内有纤维与上层、下层天然一体的连接在一起，而且封边部分为一边框结构，它们的存在，能够让前翅获得足够的抗弯，抗压强度，并能有效地增加前翅上层或下层层间的抗剥离强度等力学性能。

当然，作为一种轻质耐久型柱芯封边夹层强化板，它还具有如下特有的一些结构参数特征：

具有天然一体的封边结构；中空率(中空层与板总厚度之比)在10-60%之间；小柱面积百分率在10-50%之间；小柱直径大于中空层高度的二分之一以上。其材料可以是一种均质材料，也可以是由强化纤维和树脂等构成的异方性的复合材料。

本发明结构为具有中空层的三夹板，因此具有蜂窝板所具有的典型的轻质特征。同时，申请人对本发明结构中的核心部分--小柱结构结构的作用进行了研究。已通过对甲虫前翅的力学实验证实了前翅中的小柱结构则可以有效地提高复合材料的层间抗剥离强度。现简述于下:图7(a)为鲜活甲虫前翅下层的剥离曲线(F(δ)，试验片为2mm宽),图中横轴试验片的被剥离的长度(mm),纵轴为试验片的总剥离力(N)。由图7(a)可见,剥离曲线上有很多锯齿型的波峰(F_t(δ))存在,波峰的数目与试验片中小柱的根数相对应,是由于小柱中的纤维被拉断而引起的。据此，图7(b)给出了前翅剥离实验曲线的理想模型：试验片中小柱单列，并且较疏排列时，小柱一根被拉断(锯齿部分F_t(δ))后，经过层间剥离层(平坦部分F_l(δ))后，再拉断下一根小柱时的理想模型。只是实际上试验片宽度约为2mm时，小柱为不规则的(多列)排列，往往有多根小柱被同时拉起的情况，所以以上锯齿形也相互重叠，在实际的剥离曲线上很少能看到平坦部分。因此，理想情况模型中剪头所示的平坦部分(F_l(δ)),与没有小柱的部位相对应,可认为是由几质纤维层间的粘结力所造成.据此可以求得有小柱和没有小柱时相比的抗剥离强化倍数。经初步实验表明,有小柱存在处时，抗剥离强化倍数平均能达到约3倍左右。在此基础上，还通过在生物电子显微镜（ESEM）下对剥离过程照片的分析，建立有限元模型，通过解析探明了小柱结构可以有效地缓解应力集中的机理。因此前翅中的小柱结构，对层状纤维强化的复合材料而言，可以极其有效地提高层叠复合材料层间抗剥离性能等指标。

此外正如背景技术所述，独角仙前翅中的小柱细而长，锹形虫的小柱粗而短，同时每平方毫米上平均的小柱密度，锹形虫约为35，独角仙大约6，两者相差近6倍；前翅断面中的中空率，独角仙高，而揪形虫低，相差约为2倍，因此揪形虫前翅远比独角仙厚实。在生物的作用(功能)上，锹形虫寿命有的比独角仙长10倍以上。这从功能上讲，锹形虫更象是“耐用品”。而本发明的板材是根据锹形虫结构(参数)为原型提出的，它以小柱为核心，四周封边的天然一体的整体板材，因此不仅从结构，实际作用(功能)上，而且从实验结果上都可以推断是一种耐久型结构，从结构上分析，在中空层设置小柱必然能提高板体的强度，而且小柱的密度越大，强度越高，但密度大则带来造价高、质量大的问题，本发明就是在中空层厚度、小柱密度和小柱的结构尺寸进行关联，形成一个整体并进行优化选择，从而得到一个强度高、造价低且轻质的夹层板。

本发明的优点及其显著效果：本发明提供了一种一体化的耐久型仿生封边夹层板。它在具有轻质，高强，一体化制备蜂窝板无需粘结剂，低碳环保，具有可设计性高，工艺简单等特点。还可以根据需要在中空中填入具有隔音、阻燃等材料，形成具有隔音、阻燃等功能专用板材；同时比一体化蜂窝板，能更加方便地实现成品或半成品的生产。因此，本发明具有很好社会效益的优点，为夹层板开辟了更多的应用领域，是一种通过提高现行夹层(蜂窝)板材技术含量增加经济效益的有效方法。

附图说明

图1一种轻质耐久型柱芯封边夹层板结构简易模型；(a)用黑粗线示意了内部结构的夹层板的概念图；(b)斜切剖面透视图。

图2一种轻质耐久型柱芯封边夹层板结构参数。

图3一种轻质耐久型柱芯封边夹层圆形板。

图4带横向联接功能的轻质耐久型柱芯封边夹层板结构(a)沟槽型(b)凹凸条型。

图5小柱均匀分布的轻质耐久型柱芯封边夹层板；(a)行列整齐分布，(b)行列交叉分布。

图6小柱变化分布的轻质耐久型柱芯封边夹层板；(a)直径变化，(b)密度变化。

图7前翅剥离实验结果示意图；(a)剥离曲线，(b)假设小柱单列排列时的剥离曲线模型。

具体实施方式

附图中编号的说明：1一体化轻质耐久型柱芯封边夹层板，2小柱，3封边，4，中空层，5上层面板，6下层面板，7一体化轻质耐久型柱芯封边夹层圆形板，8圆形封边，9加粗功能性小柱，10左沟槽，11带沟槽夹层板，12右沟槽，13凸条，14带凹凸条的夹层板，15凹条。

具体实施方式

实施例1

图1为一种一体化的轻质耐久型柱芯封边夹层板(结构)，其断面由上层，下层和中空层组成，中空层中分布有小柱，板材四周具有天然一体的封边结构，其中空率为33%，即中空层的厚度Lv大致占板体总厚度T的三分之一，其中板体上层的厚度为Lu，板体下层的厚度为Ld。小柱与上下层也是天然一体结构，小柱面积在中空层的百分率约为20%，小柱直径约为中空层高度的一半；采用均质材料(这个可不要,因为中空的,为轻质,应该是公认的,强度等前面已经综述过了)。

实施例2

一种一体化的轻质耐久型柱芯封边夹层板(结构)，其断面由上层，下层和中空层组成，中空层中分布有小柱，板材四周具有天然一体的封边结构，其中空率为10%；小柱与上下层也是天然一体结构，小柱面积在中空层的百分率约为10%，小柱直径约为中空层高度的一半；其材料为玄武岩短纤维和先进树脂基树脂的复合材料。

实施例3

一种一体化的轻质耐久型柱芯封边夹层板(结构)，其断面由上层，下层和中空层组成，中空层中分布有小柱，板材四周具有天然一体的封边结构，其中空率为60%；小柱与上下层也是天然一体结构，小柱面积在中空层的百分率约为50%，小柱直径约为中空层高度的三分之二；其为异方性材料:连续玄武岩长纤维和树脂的复合材料。

实施例4

一种一体化的轻质耐久型柱芯封边夹层板(结构)，其断面由上层，下层和中空层组成，中空层中分布有小柱，板材四周具有天然一体的封边结构，其中空率为33%，；小柱与上下层也是天然一体结构，小柱面积在中空层的百分率约为15%，小柱直径约为中空层高度的五分之三；其材料为碳短纤维和先进树脂基树脂的复合材料。。

实施例5 一体化轻质耐久型柱芯封边夹层圆形平板

如图3所示为一圆形轻质耐久型柱芯封边夹层板的(水平面)断面示意图。图中9为加粗的小柱，在实际制备时可用于预埋预用于三维联接的预埋件，以便于与其它部件组装成成品。

实施例6 带横向联接功能的轻质耐久型柱芯封边夹层板结构

如在阴模内侧设计相应的沟槽(图4a)或凹凸条型(图4b)，以便实现联接；

实施例7 小柱均匀分布的轻质耐久型柱芯封边夹层板；

如行列整齐分布(a)，行列交叉分布(b)，以达到均匀的受力目的；

实施例8 小柱变化分布的轻质耐久型柱芯封边夹层板

如直径变化(a)，密度变化(b)，以制备梯度功能板材，或获得特殊的力学性能。

Claims (6)

1.一种一体化的耐久型柱芯封边夹层板，包括具有中空层的板体，其中中空层由上层、下层和封边围合而成，其特征在于：所述的中空层的厚度与板体的厚度之比为10～60%，在所述的中空层内设置有分散的与板体成一体的小柱，小柱的一端与上层连接，小柱的另一端与下层连接，小柱面积之和占中空层面积的10～50%，所述小柱换算成与圆同面积下直径的特征尺寸大于中空层厚度的二分之一；所述的板体和小柱的材料为均质材料，或由强化纤维和树脂构成的异方性的复合材料。

2.根据权利要求1所述的一体化的耐久型柱芯封边夹层板，其特征在于：所述的小柱为圆柱或棱柱。

3.根据权利要求1或2所述的一体化的耐久型柱芯封边夹层板，其特征在于：小柱密度均匀分布。

4.根据权利要求1或2所述的一体化的耐久型柱芯封边夹层板，其特征在于：小柱密度或直径从板体的一侧向另一侧依据板体强度大小变化，板体强度要求大，则小柱密度或直径大；板体强度要求小，则小柱密度或直径小。

5.根据权利要求1或2所述的一体化的耐久型柱芯封边夹层板，其特征在于：板体外形为平面板、曲面板或球形板，并且中空层的厚度可根据位置变化。

6.根据权利要求3所述的一体化的耐久型柱芯封边夹层板，其特征在于：夹层板的封边侧带横向联接结构。