CN106273942A - 一种仿螳螂虾附足结构的轻质抗冲击复合材料及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种仿螳螂虾附足结构的轻质抗冲击复合材料及其设计方法，该材料包括上碳纤维仿生板、第一隔离层、剪切增稠液层、第二隔离层和下碳纤维仿生板，剪切增稠液层位于上碳纤维仿生板和下碳纤维仿生板之间，第一隔离层位于上碳纤维仿生板和剪切增稠液层之间，第二隔离层位于剪切增稠液层和下碳纤维仿生板之间，上碳纤维仿生板和下碳纤维仿生板采用环氧树脂基碳纤维预浸料布为原材料，层层铺叠，螺旋而成，每层环氧树脂基碳纤维预浸料布的纤维轴向总相对于上一层纤维轴向顺时针旋转α，8°<α<10°。本发明是对螳螂虾附足结构仿生，同时与剪切增稠液相结合，相比于传统材料在抗冲击能力上有了较大的提升，同时满足了材料设计的轻质要求。

Description

一种仿螳螂虾附足结构的轻质抗冲击复合材料及其设计方法
技术领域：
本发明涉及一种仿螳螂虾附足结构的轻质抗冲击复合材料及其设计方法，该复合材料具有良好的防刺、防爆、抗冲击性能，同时实现了材料的轻质化，可应用于轻质结构、运动器材、军事、人体防护等领域。
背景技术：
螳螂虾用前螯击碎猎物的外壳，力度高达500牛顿，足以击碎猎物的外壳。同时，螳螂虾的附足自身也具有极高的抗冲击能力，才能经受如此毁灭性的冲击动作。本发明就是受螳螂虾的附足螺旋纤维结构启示，研究出一种高耐冲击性的轻质仿生复合材料板。
剪切增稠液体(Shear thickening fluid，即STF)，随着表面应力的增加会表现出较高的表观粘度，在受到猛力冲撞时，剪切增稠液粘度陡增，甚至表现得如固体一般，可以很好地增大受力面积，耗散冲击能量。同时，这种性状又是可逆的，即当所受应力消除时，剪切增稠液又会恢复到柔软的液态状态。因而在防刺、防爆、抗冲击方面具有很好的应用前景。
目前对于抗冲击复合材料的研究，已取得较为广泛的关注。同时，轻质仿生材料领域也得到很大的发展，将两者有机结合，正是目前研究的前景和方向。
发明内容：
本发明提供一种仿螳螂虾附足结构的轻质抗冲击复合材料及其设计方法，通过采用碳纤维预浸料布螺旋排列，并结合剪切增稠液，在使材料具有良好的抗冲击能力的同时，也实现了材料的轻质化。
本发明采用如下技术方案：一种仿螳螂虾附足结构的轻质抗冲击复合材料，包括上碳纤维仿生板、第一隔离层、剪切增稠液层、第二隔离层和下碳纤维仿生板，所述剪切增稠液层位于上碳纤维仿生板和下碳纤维仿生板之间，所述第一隔离层位于上碳纤维仿生板和剪切增稠液层之间，第二隔离层位于剪切增稠液层和下碳纤维仿生板之间，所述上碳纤维仿生板和下碳纤维仿生板采用环氧树脂基碳纤维预浸料布为原材料，层层铺叠，螺旋而成，每层环氧树脂基碳纤维预浸料布的纤维轴向总相对于上一层纤维轴向顺时针旋转α，8°<α<10°。
进一步地，所述第一隔离层和第二隔离层采用轻质防渗漏材料制作。
进一步地，所述上碳纤维仿生板和下碳纤维仿生板为平面或者曲面。
进一步地，所述剪切增稠液层采用二氧化硅粒子为分散相粒子，聚乙二醇为分散介质。
本发明还采用如下技术方案：一种仿螳螂虾附足结构的轻质抗冲击复合材料的设计方法，包括如下步骤：
一：采用环氧树脂基碳纤维预浸料布为原材料，形成上碳纤维仿生板和下碳纤维仿生板，在铺设时，上碳纤维仿生板和下碳纤维仿生板采用环氧树脂基碳纤维预浸料布为原材料，层层铺叠，螺旋而成，每层环氧树脂基碳纤维预浸料布的纤维轴向总相对于上一层纤维轴向顺时针旋转α，8°<α<10°；
二：采用轻质防渗漏材料制作第一隔离层和第二隔离层；
三：采用二氧化硅粒子为分散相粒子，聚乙二醇为分散介质制成剪切增稠液层；
四：将剪切增稠液层位于上碳纤维仿生板和下碳纤维仿生板之间，将第一隔离层位于上碳纤维仿生板和剪切增稠液层之间，第二隔离层位于剪切增稠液层和下碳纤维仿生板之间，形成仿螳螂虾附足结构的轻质抗冲击复合材料。
本发明具有如下有益效果：本发明是对螳螂虾附足结构仿生，同时与剪切增稠液相结合，相比于传统材料在抗冲击能力上有了较大的提升，同时满足了材料设计的轻质要求。
附图说明：
图1为本发明仿螳螂虾附足结构的轻质抗冲击复合材料的断面结构示意图。
图2为上碳纤维仿生板和下碳纤维仿生板螺旋堆叠示意图。
图中：1、上碳纤维仿生板，2、第一隔离层，3、剪切增稠液层，4、第二隔离层，5、下碳纤维仿生板。
具体实施方式：
请参照图1和图2所示，本发明仿螳螂虾附足结构的轻质抗冲击复合材料包括上碳纤维仿生板1、第一隔离层2、剪切增稠液层3、第二隔离层4和下碳纤维仿生板5，剪切增稠液层3位于上碳纤维仿生板1和下碳纤维仿生板5之间，第一隔离层2位于上碳纤维仿生板1和剪切增稠液层3之间，第二隔离层4位于剪切增稠液层3和下碳纤维仿生板5之间。其中上碳纤维仿生板1和下碳纤维仿生板5采用环氧树脂基碳纤维预浸料布为原材料，层层铺叠，螺旋而成，每层环氧树脂基碳纤维预浸料布的纤维轴向总相对于上一层纤维轴向顺时针旋转α，其中α为某一固定角度，8°<α<10°，α由实际观察螳螂虾附足切片中纤维层的螺旋角度而来。第一隔离层2和第二隔离层4采用轻质防渗漏材料制作，边缘密封，将上碳纤维仿生板1和剪切增稠液层3、下碳纤维仿生板5和剪切增稠液层3隔离开，同时防止剪切增稠液渗漏。
上碳纤维仿生板1和下碳纤维仿生板5为平面。进一步地，上碳纤维仿生板1和下碳纤维仿生板5也可以设计为曲面，设计为曲面能够有效的避免应力集中现象，进一步提升材料的抗冲击性。
剪切增稠液层3采用二氧化硅粒子为分散相粒子，聚乙二醇PEG为分散介质。在受到冲击的瞬间，剪切增稠液层3会产生剪切增稠现象，有效消散冲击的能量，具有较强的抗冲击能力，从而进一步提升了本发明材料的抗冲击性能。
本发明仿螳螂虾附足结构的轻质抗冲击复合材料的设计方法，包括如下步骤：
一：采用环氧树脂基碳纤维预浸料布为原材料，形成上碳纤维仿生板1和下碳纤维仿生板5，在铺设时，上碳纤维仿生板1和下碳纤维仿生板5采用环氧树脂基碳纤维预浸料布为原材料，层层铺叠，螺旋而成，每层环氧树脂基碳纤维预浸料布的纤维轴向总相对于上一层纤维轴向顺时针旋转α，其中α为某一固定角度，8°<α<10°，α由实际观察螳螂虾附足切片中纤维层的螺旋角度而来；
二：采用轻质防渗漏材料制作第一隔离层2和第二隔离层4；
三：采用二氧化硅粒子为分散相粒子，聚乙二醇PEG为分散介质制成剪切增稠液层3；
四：将剪切增稠液层3位于上碳纤维仿生板1和下碳纤维仿生板5之间，将第一隔离层2位于上碳纤维仿生板1和剪切增稠液层3之间，第二隔离层4位于剪切增稠液层3和下碳纤维仿生板5之间，形成本发明仿螳螂虾附足结构的轻质抗冲击复合材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种仿螳螂虾附足结构的轻质抗冲击复合材料，其特征在于：包括上碳纤维仿生板(1)、第一隔离层(2)、剪切增稠液层(3)、第二隔离层(4)和下碳纤维仿生板(5)，所述剪切增稠液层(3)位于上碳纤维仿生板(1)和下碳纤维仿生板(5)之间，所述第一隔离层(2)位于上碳纤维仿生板(1)和剪切增稠液层(3)之间，第二隔离层(4)位于剪切增稠液层(3)和下碳纤维仿生板(5)之间，所述上碳纤维仿生板(1)和下碳纤维仿生板(5)采用环氧树脂基碳纤维预浸料布为原材料，层层铺叠，螺旋而成，每层环氧树脂基碳纤维预浸料布的纤维轴向总相对于上一层纤维轴向顺时针旋转α，8°<α<10°。
2.如权利要求1所述的仿螳螂虾附足结构的轻质抗冲击复合材料，其特征在于：所述第一隔离层(2)和第二隔离层(4)采用轻质防渗漏材料制作。
3.如权利要求2所述的仿螳螂虾附足结构的轻质抗冲击复合材料，其特征在于：所述上碳纤维仿生板(1)和下碳纤维仿生板(5)为平面或者曲面。
4.如权利要求3所述的仿螳螂虾附足结构的轻质抗冲击复合材料，其特征在于：所述剪切增稠液层(3)采用二氧化硅粒子为分散相粒子，聚乙二醇为分散介质。
5.一种仿螳螂虾附足结构的轻质抗冲击复合材料的设计方法，其特征在于：包括如下步骤
一：采用环氧树脂基碳纤维预浸料布为原材料，形成上碳纤维仿生板(1)和下碳纤维仿生板(5)，在铺设时，上碳纤维仿生板(1)和下碳纤维仿生板(5)采用环氧树脂基碳纤维预浸料布为原材料，层层铺叠，螺旋而成，每层环氧树脂基碳纤维预浸料布的纤维轴向总相对于上一层纤维轴向顺时针旋转α，8°<α<10°；
二：采用轻质防渗漏材料制作第一隔离层(2)和第二隔离层(4)；
三：采用二氧化硅粒子为分散相粒子，聚乙二醇为分散介质制成剪切增稠液层(3)；
四：将剪切增稠液层(3)位于上碳纤维仿生板(1)和下碳纤维仿生板(5)之间，将第一隔离层(2)位于上碳纤维仿生板(1)和剪切增稠液层(3)之间，第二隔离层(4)位于剪切增稠液层(3)和下碳纤维仿生板(5)之间，形成仿螳螂虾附足结构的轻质抗冲击复合材料。
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