CN104864025A - 智能防护复合材料 - Google Patents

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谭柱华
左乐
刘立胜
翟鹏程
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Abstract

本发明涉及抗冲击吸能防护材料，尤其涉及一种利用智能防护结构的材料。智能防护复合材料，其特征在于包括有封装层、球体骨架、剪切增稠液，封装层内为空腔，球体骨架位于封装层的空腔内，球体骨架由多个球体组成，在球体骨架的间隙中含有剪切增稠液体。该智能防护复合材料能够对外界攻击和威胁自动做出反应，且结构简单，抗冲击能力更强，能吸收的能量更多。可广泛应用于包装和车辆等防护上，以及航天航空等领域。

Description

智能防护复合材料
技术领域
    本发明涉及抗冲击吸能防护材料，尤其涉及一种利用智能防护结构的材料。
背景技术
随着社会的进步，交通工具的使用越来越频繁，同时对交通工具安全性的要求也越来越高。本发明是利用球形颗粒骨架和剪切增稠液合成制备的一种智能防护复合材料，一方面，球形颗粒形成的骨架在应对诸如汽车碰撞产生的冲击时，可以通过球形颗粒的变形吸收能量；另一方面，剪切增稠液是一种新型智能材料，这一材料为纳米颗粒悬浮液体，在受到冲击载荷时其表观粘度发生大幅度增大而变粘稠，甚至由液态转变为类固态，在冲击撤销后又能迅速恢复，具有响应速度快、可逆性好、吸能效率高等优点。本发明利用剪切增稠液来填充球形颗粒骨架之间的空隙，不仅提高了球形颗粒骨架的稳定性，且剪切增稠液本身具有的良好吸能性能，能进一步提高能量吸收性能。因此，该材料成本低、质量轻、重复利用且容易加工成型，在包装、车辆和人体防护等智能防护领域有着广泛的应用前景。
发明内容
为了弥补已有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种智能防护复合材料，该智能防护复合材料能够对外界攻击和威胁自动做出反应，且结构简单。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：智能防护复合材料，其特征在于包括有封装层1、球体骨架2、剪切增稠液3，封装层1内为空腔，球体骨架2位于封装层1的空腔内，球体骨架2由多个球体组成，在球体骨架的间隙中含有剪切增稠液体。
所述封装层1的材料为硬材料（金属、陶瓷或玻璃钢，如：高强度的钢板，钢板的厚度为1毫米以上，如1-20毫米）或柔性材料（硅橡胶或树脂，厚度为1毫米以上，如1-20毫米）。
所述球体为钢球、铁球，铝球、塑料球或橡胶球。所述球体的直径为5毫米以上（如5-30毫米）。
所述剪切增稠液由二氧化硅纳米颗粒和聚乙二醇400（PEG400）组成，其中纳米颗粒的体积分数为45%以上（45%-95%），其制备步骤如下：取分散介质放入行星式球磨机的球磨罐中，将分散相颗粒分批添加到行星式球磨机中研磨，直至达到所需的含量，充分研磨，确保分散相颗粒均匀分布在悬浮体系中，分散介质是聚乙二醇400（PEG400），分散相颗粒为二氧化硅纳米颗粒（或称纳米二氧化硅颗粒）；研磨结束后，将混合样品放入真空箱在-100kPa的条件下进行抽真空处理，以便排除样品中气泡，制成剪切增稠液体。
本发明充分利用剪切增稠液体这一智能材料，制成能够对外界冲击载荷自动做出反应且高效吸能的材料。
    本发明的优点是：
    1、球体骨架与其间隙里的剪切增稠液在抗冲击和吸能方面与其他同等质量材料相比，抗冲击能力更强，能吸收的能量更多。
    2、该材料中的球体骨架可以在材料和结构布置上有很多种选择，当选择橡胶球时，结构可以在抗冲击能力上再次得到提升。
    3、通过球体骨架中的剪切增稠液体，可以实现结构在受到冲击时，能够做出智能反应，提高材料的防护性能。
4、该材料可以加工为任何形状，可广泛应用于包装和车辆等防护上，以及航天航空等领域。
附图说明
图1为本发明的复合材料示意图。
图2 不同变形速率下剪切增稠液粘度变化曲线图。
图中：1-封装层，2-球体骨架，3-剪切增稠液。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
在图1中，智能防护复合材料，包括有封装层1、球体骨架2以及球体骨架间隙中的剪切增稠液3，封装层1内为空腔，球体骨架2位于封装层1的空腔内（里面），球体骨架2由多个钢球组成（钢球的个数根据空腔的大小、钢球的大小确定，钢球将空腔填充满）， 在球体骨架的间隙中含有（充溢有）剪切增稠液体。
封装层1的材料为高强度的钢板，钢板的厚度为2毫米。球体骨架由多个直径5毫米的钢球组成。
在封装层1里面，填充钢球形成球体骨架，再在球体骨架中填充剪切增稠液3，最后把封装层1密封。
剪切增稠液体是一种智能材料，是一种纳米颗粒悬浮液，当受到冲击载荷作用时，剪切增稠液发生剪切增稠效应，甚至变成类固态，这一过程能够吸收大量的能量。当冲击载荷撤销后，剪切增稠液又恢复为流体状态，具有可逆性。
所述剪切增稠液中二氧化硅纳米颗粒体积分数为50%,其制备步骤如下：取分散介质放入行星式球磨机的球磨罐中，将分散相颗粒分批添加到行星式球磨机中研磨，直至达到所需的含量，充分研磨，确保分散相颗粒均匀分布在悬浮体系中，分散介质是聚乙二醇400（PEG400），分散相颗粒为二氧化硅纳米颗粒；研磨结束后，将混合样品放入真空箱在-100kPa的条件下进行抽真空处理，以便排除样品中气泡，制成剪切增稠液体。图2为不同变形速率下剪切增稠液粘度变化曲线，从图中可以看出在快速变形时，剪切增稠液的粘度明显增大，因此具有较大的效能效果。
二氧化硅纳米颗粒（纳米二氧化硅颗粒）可以直接购买，也可以用化学方法制得。实施例1中的复合材料能够做为智能吸能材料应用于车辆保险杠上。
    实施例2
在图1中，智能防护复合材料包括有封装层1、球体骨架2以及球体骨架间隙中的剪切增稠液3，封装层1内为空腔，球体骨架2位于封装层1里面。封装层1的材料为硅橡胶（厚度为2毫米），球体骨架由多个直径为5毫米橡胶球组成，在球体骨架间隙含有剪切增稠液体（制备同实施例1）。在封装层1里填充橡胶球形成球体骨架，再在球体骨架中填充剪切增稠液3，最后把封装层（硅橡胶）进行封装。剪切增稠液体是一种智能材料，其获得方法如实施例1所示。在实施例2中的复合材料质量轻、有极强抗冲击能力，能够应用于护膝护腕等人体防护装备。
    实施例3
    在图1中，智能防护复合材料包括有封装层1、球体骨架2以及球体骨架间隙中的剪切增稠液3，封装层1内为空腔，球体骨架2位于封装层里面，封装层1的材料为高强度的钢（厚度为2毫米），球体骨架由多个直径为5毫米橡胶球组成，在球体骨架间隙含有剪切增稠液3。在封装层里填充橡胶球形成球体骨架，再在球体骨架中填充剪切增稠液3，最后把封装层1进行密封。剪切增稠液体是一种智能材料，其获得方法如实施例1所示。在实施例3中的复合材料相对密度小、抗冲击能力强的优点，能够应用于防护盾牌装备中。
实施例4
与实施例1基本相同，不同之处在于：所述封装层1的材料为陶瓷，球体骨架由多个直径5毫米的铁球组成。
实施例5
与实施例1基本相同，不同之处在于：所述封装层1的材料为玻璃钢，球体骨架由多个直径5毫米的铝球组成。
实施例6
与实施例1基本相同，不同之处在于：所述封装层1的材料为陶瓷，球体骨架由多个直径5毫米的塑料球组成。

Claims (7)

1.智能防护复合材料，其特征在于包括有封装层、球体骨架、剪切增稠液，封装层内为空腔，球体骨架位于封装层的空腔内，球体骨架由多个球体组成，在球体骨架的间隙中含有剪切增稠液体。
2.根据权利要求1所述的智能防护复合材料，其特征在于：所述封装层的材料为硬材料或柔性材料，硬材料或柔性材料的厚度为1毫米以上。
3.根据权利要求2所述的智能防护复合材料，其特征在于：硬材料为金属、陶瓷或玻璃钢。
4.根据权利要求2所述的智能防护复合材料，其特征在于：柔性材料为硅橡胶或树脂。
5.根据权利要求1所述的智能防护复合材料，其特征在于：所述球体为钢球、铁球，铝球、塑料球或橡胶球。
6.根据权利要求1或5所述的智能防护复合材料，其特征在于：所述球体的直径为5毫米以上。
7.根据权利要求1所述的智能防护复合材料，其特征在于：所述剪切增稠液由二氧化硅纳米颗粒和聚乙二醇400（PEG400）组成，其中纳米颗粒的体积分数为45%以上,其制备步骤如下：取分散介质放入行星式球磨机的球磨罐中，将分散相颗粒分批添加到行星式球磨机中研磨，直至达到所需的体积分数含量，充分研磨，分散介质是聚乙二醇，分散相颗粒为二氧化硅纳米颗粒；研磨结束后，将混合样品进行抽真空处理，得到剪切增稠液体。
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