CN103120432B - 一种结构改进的复合材料及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种复合材料及其在各种服饰制备中的应用。本申请的复合材料包括第一层材料和扰流片，扰流片的一端与第一层材料的表面固定连接，扰流片与第一层材料呈小于90度的夹角；扰流片的外表面为凸起的弧面，该凸起的弧面构成扰流面，扰流片的内表面为平整的表面，扰流片均匀层叠排布，扰流片的各层和第一层材料之间的空隙构成流体通道，扰流片各层之间的间隔即连通流体通道与外界的通孔。本申请的复合材料，首次提出利用材料表面不平整的扰流面使流体经过复合材料外表面的路径延长，在相同条件下，流体流经扰流面的速度大于其流经流体通道的速度，从而产生压力差，把流体阻力向外部转移，减小流体阻力，提高运动速度。

Description

一种结构改进的复合材料及其应用

技术领域

本申请涉及服饰材料领域，特别是涉及一种结构改进的复合材料及其应用。

背景技术

在一些特殊的领域，比如挑战人体极限的竞技比赛中，通过服装的材料和结构的设计，以减少运动中的流体阻力，对提高比赛成绩有着不可忽视的作用，那怕只是减少一点，都会对比赛结果起到决定性影响；如100米短跑中，减少着装的流体阻力，哪怕提高0.1秒的速度，都直接决定胜负成败。另外，又比如警察和军队的服装装备中，通过服装减少运动中的流体阻力，从而提高运动速度，在关键时刻也可能是生死存亡的主要因素。

总的来说，通过服装的材料和结构的设计，以减少运动中的流体阻力，在精益求精的竞技比赛和体能作业中，越来越被重视。

发明内容

本申请的目的是提供一种新的结构改进的复合材料，以及该复合材料的应用。

为了实现上述目的，本申请采用了以下技术方案：

本申请的一方面公开了一种复合材料，该复合材料包括第一层材料和扰流片，扰流片的一端与第一层材料的表面固定连接，扰流片与第一层材料呈小于90度的夹角；扰流片的外表面为凸起的弧面，该凸起的弧面构成扰流面，扰流片的内表面为平整的表面，扰流片均匀层叠排布，层叠排布的扰流片的各层和第一层材料之间的空隙构成流体通道，层叠的扰流片各层之间的间隔即通孔，该通孔将流体通道与外界连通。

进一步的，扰流片为鱼鳞状，该鱼鳞状的扰流片的中间高，并且向四周或两侧平滑下延形成弧面。

进一步的，扰流片为羽毛状，该羽毛状的扰流片的主干高，两侧的分支平滑下移至边缘，并且分支干也高于其两侧的平面。

优选的，羽毛状的扰流片中，分支干两侧的平面为凸起的弧面。

本申请中，扰流片还可以为圆形、条形、菱形、三角形和多边形中的至少一种。需要说明的是，扰流片的作用在于延长扰流片外表面的流体路径，因此，只要扰流片外表面的为凸起的结构，弧面凸起或者其它凸起均可，而内表面为相对平整的结构，流体在经过扰流片内表面和外表面时路径长度不同，产生压力差，即可实现流体阻力转移的效果，因此，扰流片的具体形状可以是规则的圆形、条形、菱形、三角形，也可以是其它任意形状。

优选的，扰流片与第一层材料间的夹角为30～60度。

本申请中，夹角可以随运动状态改变。

进一步的，夹角随运动状态改变的方法包括，采用磁性材料或弹性材料制备扰流片；或者，采用机械控制方法改变夹角。

进一步的，本申请的复合材料还包括第二层材料，第二层材料复合于第一层材料的没有连接扰流片的一面，第一层材料与第二层材料之间具有空隙，第一层材料上开设有通孔，该通孔将第一层材料与第二层材料之间的空隙与外界连通的。

本申请中，第一层材料和第二层材料之间还具有填充材料；填充材料选自但不仅限于人造纤维、天然羽绒或天然棉纤维中的至少一种。

本申请的另一面还公开了一种扰流装置，该扰流装置包括扰流片，扰流片的外表面为凸起的弧面，扰流片的内表面为平整的平面；扰流片的形状为鱼鳞状、羽毛状、圆形、条形、菱形、三角形和多边形中的至少一种。

本申请的再一面还公开了一种服饰，该服饰包括但不仅限于服装、袜、鞋、帽、提袋、背包、披巾和围巾，服饰的外表面连接有本申请的扰流装置，扰流片的一端与服饰的外表面连接，扰流片整体与服饰的外表面呈一定夹角；或者，扰流片通过垫块与服饰的外表面连接。需要说明的是，将该扰流装置连接到复合材料表面即可形成本申请的复合材料；可以理解，为了生产加工方便，也可以将本申请的扰流装置直接连接于已经制备好的服饰的外表面，从而达到扰流的效果，并实现流体阻力转移的目的。还需要说明的是，扰流片与服饰外表面或复合材料的表面的连接方式可以是粘结连接、插入式连接，或者其它常规的连接方式，在本申请中不做限定。

本申请的另一方面公开了本申请的复合材料在服饰中的应用，该服饰包括但不仅限于服装、袜、鞋、帽、提袋、背包、披巾和围巾。

本申请还公开了一种全部或部分采用本申请的复合材料制备的服饰，该服饰包括但不仅限于服装、袜、鞋、帽、提袋、背包、披巾和围巾。需要说明的是，本申请中的服饰为装饰人体的物品总称。

由于采用以上技术方案，本申请的有益效果在于：

本申请的复合材料，在复合材料的表面设计扰流片，由扰流片的外表面的凸起形成扰流面；由于扰流面凸起的弧面的不平整结构，而扰流片内表面形成的流体通道相对平整，因此，流体在经过扰流面的路径大于流体经过流体通道的路径，从而形成压力差，把流体阻力向外部转移，使得流体阻力减小，提高运动速度。

附图说明

图1是本申请的一个实施例中制备的裤子的结构示意图；

图2是本申请的一个实施例中按照图1所示A-A截图的结构示意图，即扰流片的层叠铺设的结构示意图；

图3是本申请的一个实施例中鱼鳞状的扰流片的结构示意图；

图4是本申请的一个实施例中制备的衣服的结构示意图；

图5是本申请的一个实施例中羽毛状的扰流片的结构示意图；

图6是本申请的一个实施例中采用不同形状的扰流片的复合材料制备的衣服的结构示意图；

图7是本申请的一个实施例中采用不同形状的扰流片的复合材料制备的裤子的结构示意图；

图8是本申请的一个实施例中制备的帽子的结构示意图；

图9是本申请的一个实施例中制备的鞋子的结构示意图；

图10是本申请的一个实施例中制备的衣服的结构示意图。

具体实施方式

本申请的发明人经研究发现，在快速运动时，如果在运动物体周围形成内外两层不同速度的流体层，其中内层速度慢于外层，会在内层形成低流速而高气压的流体层，外层则是高流速低气压；这势必会造成由内向外的压力差，从而将流体阻力向外转移。内外层之间流速相差越大，产生的压力差越大，把流体向外转移的越多，流体阻力就减少的越多，阻力减小，则运动速度就会提高。因为高压力区向低压力区转移压力差，使流体阻力减少，运动速度提高，就如水从高向低流，都是自然规律，高低压力和高低水位一样，高低相差越大，产生的压力差越大，转移的流体压力就越多，转移的速度就越快，所以运动员的流体阻力减少的越多，运动速度就越快。

基于以上构思，本申请的复合材料包括第一层材料和扰流片，扰流片的一端与第一层材料的表面固定连接，扰流片悬空，扰流片与第一层材料呈小于90度的夹角；扰流片的外表面为凸起的弧面，该凸起的弧面构成扰流面，扰流片的内表面为平整的表面，扰流片均匀层叠排布，层叠排布的扰流片的各层和第一层材料之间的空隙构成流体通道，层叠的扰流片各层之间的间隔即通孔，该通孔将流体通道与外界连通。由于在复合材料的外表层上具有由凸起的弧面构成的扰流面，延长了流体经过复合材料表面的路径，而复合材料内的流体通道相对平整，流体路径相对较小；因此，在相同的条件下，气流经过复合材料外表面的速度高于气流经过复合材料内表面的速度，从而形成由内向外的压力差；使得在运动过程中穿着该复合材料制备的服饰，包括服装、鞋、帽等，可以有效的将流体阻力向外转移，减小运动过程中产生的阻力，提高运动速度。

需要说明的是，一般来说，运动越快，承受的流体阻力越大，因此，在极限快速运动中，比如100米短跑，流体阻力的作用是不可忽视的；而穿着由本申请的复合材料制备的服饰，运动越快，复合材料内外表面产生的压力差越大，流体阻力转移越多越快，减小运动过程中产生的阻力越明显，从而提高运动速度的效果也越明显。

还需要说明的是，本申请的复合材料主要是用于制备服饰用的，因此，用于服饰的材料均适用于本申请；此外，本申请的关键在于创造性的提出了利用复合材料的结构改进实现流体阻力转移，可以理解，本申请的复合材料除了用于服饰以外，其它领域在需要对流体阻力进行转移时，同样可以使用；因此，本申请的复合材料中各层的具体材质在本申请中不做限定。

进一步的，本申请的发明人对仿生学的研究发现，覆盖在鸟或鱼身上的多层相互彼此部分覆盖羽毛或鳞片，使流体经过多层彼此相通的羽毛或鳞片时，羽毛或鳞片的内外表面形成不同流速的流体层，于是内外层之间也会产生压力差。通过模仿羽毛或鳞片的结构，本申请将扰流片设计为以一定的夹角固定在复合材料的外表面。优选的，完全模拟鱼鳞或羽毛层叠的铺设于复合材料的外表面，各悬空的片状扰流片之间形成一定的空隙，在这些扰流片组成的扰流面的内外形成压力差，达到转移流体阻力的作用。

本申请中，优选的，扰流片与第一层材料之间的夹角为30～60度；并且，考虑到不同的运动状态，优选的，该夹角可以随着运动状态的改变而调整。改变夹角的实现方式包括，采用磁性材料或弹性材料制备扰流片；或者，采用一些常规的机械控制方法改变夹角。

可以理解，本申请的复合材料同样可以设计为多层，本申请的一种实现方式中，复合材料还包括第二层材料，所述第二层材料复合于第一层材料的没有连接扰流片的一面，第一层材料与第二层材料之间具有空隙，第一层材料上开设有通孔，该通孔将第一层材料与第二层材料之间的空隙与外界连通的。

需要说明的是，本申请中所提到的所有的第一层材料、第二层材料均可以是纺织织物、非织造布或者其它织造或非织造材料，在本申请中不做具体限定。并且在本申请的实施例中，用于制备服饰的复合材料也是纺织织物、非织造布或者其它织造或非织造材料中的一种。

基于相同的发明构思，本申请还提供了一种扰流装置，该扰流装置是组装形成复合材料外表面不平整的凹凸结构的基本单元结构。将该扰流装置直接连接于任何材料外表面，即可起到扰流作用，从而实现通过压力差转移流体阻力。

本申请的发明人经过长期观察研究认为，鸟或鱼能够以很低的能耗长途行驶，其中一个重要原因就是，覆盖在鸟或鱼身上的羽毛或鳞片，使得在其身体周围形成压力差转移区，把流体阻力向外转移，使流体阻力大大减少，所以速度很快，灵活性很高，并且行驶过程中抵抗流体阻力的能耗低。因此，借鉴鸟或鱼的羽毛或鱼鳞，所制备的仿生结构的本申请的复合材料，在运动过程中也能够起到转移流体阻力，从而提高运动速度和效率的作用。

本申请首次揭示了鸟或鱼能够以很低的能耗长途行驶，除了公知的流线形减少流体阻力以外，一个重要原因是，覆盖在鸟或鱼身上的羽毛或鱼鳞，会在鸟或鱼身体周围形成压力差转移区；基于该认识，本申请首次提出了该仿生结构的复合材料，并将其制备成各类服饰，以降低运动过程中的流体阻力，提高运动速度。本申请中所制备的各类服饰包括但不仅限于运动服、鞋、帽等。穿着本申请的复合材料制备的运动服、鞋、帽等服饰，在运动过程中，会在其周围产生压力差，从而将流体阻力向外转移，提高运动速度。本申请的复合材料，能够适用于制备各种运动项目的服饰；同时，也适用于制备警察或军队等军用装备。

本申请首创性的提出了服装压力差理论和结构，改变了服装的公知常识，不但可以提高运动速度，还可使人更轻松，为各类服装的发展开辟一条崭新的道路。

下面通过具体实施例并结合附图对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。

实施例一

本例的复合材料为单层结构，如图2所示，在基层81的外表面设置鱼鳞片状的扰流片307，该鱼鳞片状的扰流片307如图3所示前部略小，后部略大；扰流片307的外表面中间略高，向四周或两侧平滑下延形成弧面，内表面为相对平面；扰流片307以一定角度倾斜固定于基层的外表面，并以一定的间隔层叠铺设，如图2所示，各扰流片307的内表面和基层81之间形成流体通道84；扰流片307可从下向上，或从上向下，或从左到右，或从右到左排列，或者像鱼鳞一样排列，以从左向右排列为例，如图2所示，左边一片部分或大部覆压在右边一片上，每片扰流片307的前部弧形与覆盖右边一片的扰流片之间具有空隙，即为通口85，扰流片307每片后部与基层81连接，前部与内层分开一定角度小于90度形成一定距离，即流体通道84。鱼鳞片状的扰流片307彼此均匀覆盖排列与基层81的外表面，形成铠甲形的外层，由此获得本例的复合材料。

将本例的复合材料制备成服饰，如图1所示的运动裤，穿着该服饰运动时，流体从每片鱼鳞片状扰流片307的通口85进入流体通道84内，由于基层81是平整的平面，并且扰流片307的内表面也是相对平面，扰流片307的外表面为弧面，所以流体经过流体通道84的路径，小于其经过扰流片307外表面的路径，内外之间因流速不同而产生压力差，均布的通口85不但把流体导入流体通道内，同时也把流体压力向外表面转移，从而围绕运动服四周形成一圈压力差转移区，把流体压力从内向外转移，使流体阻力减少，从而提高运动速度。

将本例的复合材料制备成警察或军队的装备服饰，由于运动速度的提高，战斗力也提高；往往在生死的一瞬间速度提高一点，就是生存机会的提高。

将本例的复合材料制备成一般穿着的运动服，在走路、晨练等运动时，运动过程中把气压对人体的压力部分向外转移，由于气压的相对减少，人体更轻松，精神也更好。

在夏天穿着本例的复合材料制备的服饰，在身体活动时，周围自然产生两层不同流速的流体运动，从而自然产生压力差，就如风扇吹出的气流与周围空气因流速不同而产生压力差形成的空气流动，人体皮肤对细微的空气流动都很敏感，所以感到凉爽。

在冬天穿着本例的复合材料制备的服饰，并将该服饰的内层设计为相对隔热，由于压力差产生空气流动在身体周围形成压力差转移区，因为内层相对密封和隔热，相对阻断体温向外传递，同时流体通道通过通孔把外界的冷空气不断的向外转移，减少体温与环境低气温的转递和热交换，所以在穿同等厚薄衣服的状态下更保温。

需要说明的是，采用本例的复合材料制备服饰，可以是该服饰全部由本例的复合材料制备，或者该服饰的某部分采用本例的复合材料制备。

另外，本例还通过常规的调控角度的方式，设计扰流片307与基层81之间的角度可调控的复合材料，这些实现角度可调控的方式包括，采用磁性材料或弹性材料，或者其它机械控制方法等，通过调节该角度，使运动员在不同的运动状态中能更好的提高速度，就如鱼儿在水中通过鱼鳞的角度变化来加快速度。

本例的复合材料可以用于制备各种运动服饰，以及军用、民用服饰；在水下和陆地上均可发挥作用。

本例不仅制备了鱼鳞状的扰流片，并且模拟了鱼鳞的排列方式，将扰流片设置与复合材料表面，实验结果证实，这种排列方式更能够有效的起到扰流作用，即能够产生更大的压力差，从而更有效并且更大程度的进行流体阻力转移。

实施例二

本例的复合材料在实施例一的基础上进行改进，具体的，如图5所示，采用羽毛状的扰流片308替换实施例一的鱼鳞片状的扰流片，其余不变。本例的复合材料的扰流片，如图5所示，每片羽毛片的四周为弧面，它的内表面为相对平面，外表面为弧面，模仿羽毛中间略高的主干按长度方向设置，两侧为若干分支干平滑下移至边缘，每个分支干又略高于对应的两侧的弧面，形成羽毛片状的扰流片308，其外表面整体为弧面，弧面上又被主干和分支干分为若干个小弧面的特殊形状，使流体经过的路径大大延长，远大于所对应的内表面流体经过的路径，以产生更大的压力差。

同样的，本例的复合材料中，每片羽毛扰流片的后部周围与被覆盖的另一片之间为通口，基层与各羽毛扰流片的内表面之间为流体通道，如图2所示。

将本例的复合材料制备的服饰，如图4所示的运动服，穿着该服饰运动时，流体经过扰流片的各主干和分支干，因与其经过流体通道的流速不同，而产生压力差；流体经过这些叠合的羽毛状的扰流片构成的扰流面，经过一层一层的放大，压力差也会进一步提高，从而产生更大的压力差转移区，把流体阻力更多的向外转移，进一步提高运动的速度。特别适合用于跳高、跳远、长短跑等运动项目，会大大提高运动速度。

本例不仅制备了羽毛状的扰流片，并且模拟了羽毛的排列方式，将扰流片设置与复合材料表面，实验结果证实，这种排列方式更能够有效的起到扰流作用，即能够产生更大的压力差，从而更有效并且更大程度的进行流体阻力转移。

实施例三

本例的复合材料在实施例一的基础上改进，具体的，分别采用条形、圆形、菱形、三角形、六边形的扰流片替换鱼鳞状扰流片，如图6所示的圆形扰流片304、菱形扰流片305、六边形扰流片306，以及图7所示的条形扰流片303、椭圆形的扰流片302，图10所示的三角形扰流片302等。本例的扰流片的外表面为凸起的弧面，扰流片的内表面为平整的表面，本例的扰流片的排布方式与实施例一的鱼鳞状的扰流片的排列方式相同，其余均以实施例一相同。扰流片外表面凸起的弧面构成扰流面，层叠排布的扰流片的各层和基层之间的空隙构成流体通道，层叠的扰流片各层之间的间隔即通口，该通口将流体通道与外界连通。

将本例的复合材料制备的服饰，穿着该服饰运动时，流体从每片扰流片的通口进入流体通道内，由于基层是平整的平面，并且扰流片的内表面也是相对平面，而扰流片的外表面为弧面，所以流体经过流体通道的路径，小于其经过扰流片外表面的路径，内外之间因流速不同而产生压力差，均布的通口不但把流体导入流体通道内，同时也把流体压力向外表面转移，从而围绕运动服四周形成一圈压力差转移区，把流体压力从内向外转移，使流体阻力减少，从而提高运动速度。

可以理解，扰流片的形状除了本例中提到的条形、圆形、菱形、三角形、六边形以外，其它形状的扰流片，只要扰流片的外表面为凸起结构，内表面为相对平整的结构，流体在经过扰流片内表面的路径小于流体经过外表面的路径，产生压力差，即可实现流体阻力转移的效果；因此，其它任意形状的扰流片均适用于本申请。

实施例四

本例的复合材料在实施例一至实施例三的基础上进行改进，具体的，如图6～10所示，在单层基层1的基础上还增加了一个里层2，基层1即相当于第一层材料，里层2即相当于第二层材料。基层1的外表面设置扰流片，里层2与基层1的内表面复合连接，里层2与基层1之间具有空隙，即相当于流体通道4，基层1上开设有通口，将里层2与基层1之间的流体通道4与外界连通。

将本例的复合材料制成服饰时，如图6所示的衣服、如图7所示的裤子、图8所示的帽子以及图9所示的鞋子，穿着本申请的复合材料制备的服饰，除了扰流片内外表面产生压力差，转移流体阻力以外；里层2与基层1之间的空隙形成的流体通道内，流体的速度进一步减小，同样会与外界的流体产生压力差，从而进一步的将流体阻力向外转移；进而提高运动速度。

需要说明的是，本例中，除了层叠的扰流片之间的空隙作为通口以外，还可以在扰流片上直接开始一个通孔5用于将扰流片与基层围成的流体通道与外界连通。

实施例五

本例的复合材料在实施例四的基础上进行改进，具体的，如图10所示，在第一层材料1和第二层材料2之间填充保暖填充材料310，层叠的扰流片之间的空隙即通口501，另外，扰流片上还可以开设通孔5，第一层材料1与第二层材料2之间具有流体通道4，其余与实施例四相同。采用本例的复合材料制备的服饰，不仅具有实施例四的复合材料制备的服饰的基本功能，即流体阻力转移功能，而且进一步的具有保暖功能。

需要说明的是，保暖填充材料可以全部填充于两层材料之间，也可以在填充保暖材料时留出与扰流片对应的多条细管形的流体通道，从而加强流体阻力转移效果。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种采用复合材料制备的服饰，其特征在于：该复合材料包括第一层材料和扰流片，扰流片的一端与第一层材料的表面固定连接，扰流片与第一层材料呈小于90度的夹角，所述夹角可以随运动状态改变；扰流片的外表面为凸起的弧面，该凸起的弧面构成扰流面，扰流片的内表面为平整的表面，扰流片均匀层叠排布，层叠排布的扰流片的各层和第一层材料之间的空隙构成流体通道，层叠的扰流片各层之间的间隔即通孔，该通孔将流体通道与外界连通。

2.根据权利要求1所述的服饰，其特征在于：还包括第二层材料，所述第二层材料复合于第一层材料的没有连接扰流片的一面，第一层材料与第二层材料之间具有空隙，第一层材料上开设有通孔，该通孔将第一层材料与第二层材料之间的空隙与外界连通。

3.根据权利要求1所述的服饰，其特征在于：所述扰流片为鱼鳞状，该鱼鳞状的扰流片的中间高，并且向四周或两侧平滑下延形成弧面。

4.根据权利要求1所述的服饰，其特征在于：所述扰流片为羽毛状，该羽毛状的扰流片的主干高，两侧的分支平滑下移至边缘，并且分支干也高于其两侧的平面；分支干两侧的平面为凸起的弧面。

5.根据权利要求1所述的服饰，其特征在于：所述扰流片为圆形、条形、菱形、三角形和多边形中的至少一种。

6.根据权利要求2所述的服饰，其特征在于：所述第一层材料和所述第二层材料之间还具有填充材料；所述填充材料选自但不仅限于人造纤维、天然羽绒或天然棉纤维中的至少一种。

7.根据权利要求1-6任一项所述的服饰，其特征在于：所述夹角为30～60度；夹角随运动状态改变的方法包括，采用磁性材料或弹性材料制备扰流片；或者，采用机械控制方法改变夹角。