CN108000758A - 一种负泊松比纺织复合材料成型模具和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种负泊松比纺织复合材料成型模具，包括阴模和阳模，所述阴模包括成型槽和加热板，所述的成型槽包括具有负泊松比结构的结构槽和第一引流槽；所述加热板位于成型槽背面，用于基质的加热熔融；所述阳模包括挤压模，所述挤压模包括凸槽和第二引流槽，所述凸槽的尺寸形状与所述结构槽的相互吻合，使得凸槽和结构槽能够相互耦合；所述第一引流槽和第二引流槽用于控制粘性液体的流入和流出所述结构槽。本发明还涉及上述成型模具的使用方法。本发明可以方便快捷地制成具有负泊松比效应的二维纺织复合材料或三维纺织复合材料。

Description

一种负泊松比纺织复合材料成型模具和方法

技术领域

本发明涉及纺织材料技术领域，特别是涉及一种负泊松比纺织复合材料成型模具。

背景技术

自然界已发现多种具有负泊松比效应的物质，经研究发现具有负泊松比效应的材料拥有传统材料所没有的特殊性能，且其剪切刚度、断裂韧性、抗压能力、同向曲率、能量吸收能力、渗透性等比之传统材料都有所提高。这些优良的力学性能使负泊松比材料在汽车工业、人体防护、航空航天、生物医学及国防等领域有潜在应用。

Lakes于1993年提出了具有一定铺层的复合材料结构具有负泊松比的性质。这也是除了使用负泊松比纤维制备复合材料结构以外的另一种制备负泊松比复合材料结构的方法。但是这种制备负泊松比复合材料结构的方法对材料要求比较高，要求每个铺层材料具有高度各向异性，因此这种方式的可行性比较低，对其进行的研究工作也比较少。

Miller在2009年研究发现，DHY(Dual Helical Yarns)可以显示出负泊松比效应，泊松比-2.1；DHY的织物可以很容易得到，但要想具有负泊松比效应，需要环境约束；单层织物复合材料可能是因为硅橡胶不足以抵挡面外变形，使面外拉胀效应弱化，复合材料不表现负泊松比效应；双层织物复合材料的负泊松比效应表明，多层织物亦可显示拉胀效应，双层织物的复合材料泊松比达到-0.1。DHY纱线和织物的制备方法简单，且通过传统设备就可以制得。复合材料的拉胀效应很有可能是多层DHY织物相互间的限制作用，即多层复合材料更利于拉胀效应产生，这是首次采用拉胀纱线制备拉胀复合材料，并采用的是传统设备(不需要发明新设备)。2012年，Miller等学者应用拉胀纱线原理设计具有拉胀效应的单向复合材料，此复合材料兼具拉胀效应和高刚度。这是首次采用碳纤维制作结构拉胀复合材料，且整个制作过程采用的是标准的制作设备并没有设计特殊设备，因此在各种工程应用中有很大潜在前景。文中对纱线含量、纱线的包缠角度等决定了复合材料负泊松比的大小，目前其泊松比在纤维体积分数达到30％时可达-6.8。

胡红教授在2016年的研究中，采用先前开发的一个三维(3D)拉胀纺织品结构用作增强材料与常规聚氨酯(PU)泡沫制作拉胀复合材料。对拉胀复合材料在压缩力作用下的变形行为和机械性能进行了分析，并与相同的材料和结构参数，但具有不同的纱线排列的纯的聚氨酯泡沫塑料和非拉胀复合材料进行比较。结果表明，当3D织物结构中纱线排列合适，复合材料的变形显示出拉胀效应。该结果还表明，因为在3D纺织结构中纱线的排列不同，拉胀复合材料和非拉胀复合材料具有不同的机械行为。非拉胀复合材料更像具有更高的压缩应力的刚性材料，而拉胀复合材料更像具有较低压缩应力的阻尼材料。据预计，本研究可以为不同的潜在的应用铺平道路，如防冲击保护的创新的3D拉胀纺织复合材料。

总之，目前负泊松比结构材料的研究多集中在泡沫和聚合物材料中，纺织材料报道较少，虽有相关的二维负泊松结构纺织材料的编织和针织结构设计方法，具有较好的平面拉胀效应，但制作繁琐，生产效率低，且需要专门改进的针织设备，成本较高，难以满足市场上的大量需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种负泊松比纺织复合材料成型模具和方法，可以方便快捷地制成具有负泊松比效应的二维纺织复合材料或三维纺织复合材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种负泊松比纺织复合材料成型模具，包括阴模和阳模，所述阴模包括成型槽和加热板，所述的成型槽包括具有负泊松比结构的结构槽和第一引流槽；所述加热板位于成型槽背面，用于基质的加热熔融；所述阳模包括挤压模，所述挤压模包括凸槽和第二引流槽，所述凸槽的尺寸形状与所述结构槽的相互吻合，使得凸槽和结构槽能够相互耦合；所述第一引流槽和第二引流槽用于控制粘性液体的流入和流出所述结构槽。

所述结构槽为内凹六边形的蜂窝拓扑结构、“人”字形的蜂窝拓扑结构、星形的蜂窝拓扑结构、三角形的蜂窝拓扑结构、或双箭头形的蜂窝拓扑结构。

所述成型槽的两侧还设有第一手柄，所述第一手柄为铁柄，所述铁柄外包覆有隔热垫。

所述挤压模的两侧还设有第二手柄，所述第二手柄为铁柄，所述铁柄外包覆有隔热垫。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种使用上述负泊松比纺织复合材料成型模具的方法，包括以下步骤：

(1)选材：根据欲成型材料的形状、效应选择成型模具的种类和几何结构尺寸；根据成型材料的性能要求选择相应的增强体材料和基质材料；并根据基质材料的性能选择成型方式；

(2)复合：将增强体材料和基质材料放入阴模和阳模中，并完成阴模和阳模的复合；

(3)固化：将复合过的半成型材料放入烘箱或者常温条件下进行冷却固化；

(4)取材：将复合材料从模具中取下来，得到成型的复合材料。

所述步骤(2)中，采用RTM复合方式时，先在阴模的结构槽内刷上一层脱模剂，然后将增强体材料放进结构槽内，再将导流管采用粘接方法固定在第一引流槽内，覆盖上刷有脱模剂的阳模，用密封薄膜将阴模和阳模密封好，最后采用真空泵抽基质材料，进行复合。

所述步骤(2)中，采用VARTM复合方式时，先在阴模的结构槽内刷上一层脱模剂，然后将增强体材料放进结构槽内，盖上脱模布和阳模，将准备好的阴模放入真空袋内，开动机器，进行复合。

所述步骤(2)中，采用模压成型时，分别将刷有脱模剂的阴模和阳模，固定在机器的上下压板上，在阴模和阳模中放入增强体材料和基质材料，然后开动液压机进行复合。

所述步骤(2)中，采用喷射成型复合时，先将刷有脱模剂的阴模放在相应位置，然后将增强体材料和基质材料放在相应容器内，开动机器进行复合。

所述步骤(2)中，采用手糊成型复合方式时，将模具放在高温环境下，阴模的结构槽内刷脱模剂，然后放入增强体材料和基质材料，并用相应工具刷平复合材料。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

(1)本发明可以快速生成二维或者三维负泊松比效应纺织复合材料，整个制作过程简便易操作，工艺简单，成本低廉，对环境友好。

(2)本发明适用范围广，适用于RTM、VARTM、模压、喷射、手糊等多种成型方式，满足各种基质材料的复合工艺条件，引流槽可以根据不同成型工艺条件而改变形状和个数。

(3)本发明根据材料性能和使用目的不同，采用具有不同形状、尺寸的结构槽，通过改变结构槽的深度可以得到不同厚度和维度的负泊松比织物复合材料，通过改变结构槽的形状可得到各种结构形状和拉胀效果的负泊松比织物复合材料，满足市场各种要求。

附图说明

图1是内六角形成型模具示意图；

图2是“人”字形成型模具示意图；

图3是双箭头形成型模具示意图；

图4是星形成型模具示意图；

图5是三角形成型模具示意图；

图6是二维内六角形结构纺织复合材料示意图；

图7是二维“人”字形结构纺织复合材料示意图。

图8是二维双箭头形结构纺织复合材料示意图。

图9是二维星形结构纺织复合材料示意图。

图10是二维三角形负泊松比纺织复合材料示意图。

图11是三维内六角形负泊松比纺织复合材料示意图。

图12是三维“人”字形负泊松比纺织复合材料示意图。

图13是三维双箭头形负泊松比纺织复合材料示意图。

图14是三维星形负泊松比纺织复合材料示意图。

图15是三维三角形负泊松比纺织复合材料示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种负泊松比结构纺织复合材料成型模具，可以方便快捷地制成具有负泊松比效应的二维或三维纺织复合材料。其成型产品适用于医疗保健、人体防护、运输、深海作业、航天航空、汽车制造等各个领域。包括由外观相似，成型结构相反的一对阴模和阳模组成。阴模包括成型槽，加热板，第一手柄；阳模包括挤压模和第二手柄。所述的成型槽包括各种负泊松比结构凹槽和第一引流槽，凹槽尺寸大小可以设计；所述的挤压模有与凹槽大小、形状相对应凸槽和第二引流槽；所述的加热板在成型槽的背部，可以耐高温；所述的第一手柄和第二手柄分别固定在加热板两侧，外层包覆隔热垫，可以满足高温移动成型模具的条件。所述第一引流槽和第二引流槽用于控制粘性液体的流入和流出所述结构槽。向成型槽内添加短纤维或者长丝，然后用硅橡胶或树脂与之复合，用凸模挤压保证复合质量，可制备成具有不同花纹效应的负泊松比复合材料。该模具适用于RTM、VARTM、模压、喷射、手糊等的复合材料成型方式。制备的二维负泊松比复合材料可用作缓冲、防弹防刺、减振、隔热、过滤等功能纺织用品；加深成型槽的深度还可以制备的三维管状负泊松比复合材料，可用于易碎物品包装、汽车坐垫、靠背、睡垫及床垫等，高性能拉胀复合材料可用作深海作业、航天航空材料、建筑材料等。

其中，所述的成型槽和挤压模截面形式多样，包括内凹六边形、“人”字形、星形、三角形、双箭头形等蜂窝拓扑结构；阴模结构槽尺寸各异，深度不同；阳模结构槽与阴模结构槽凹凸相反，刚好扣合，二者扣合，可以制作相应的二维及三维管状负泊松比纺织复合材料。

所述的引流槽是为了方便基质流入和流出结构槽而设计的，根据基质粘度和固化速度不同，引流槽根数不同，且引流槽走向依据结构槽形状和基质最佳流速而设计。

通过该成型模具制得的二维负泊松比结构纺织复合材料具有拉胀效应和挤缩效应，所述的二维负泊松比结构包括内凹六边形、“人”字形、星形、三角形、双箭头形等蜂窝拓扑结构。通过该成型模具制得的三维管状负泊松比结构纺织复合材料的表面具有拉胀效应和挤缩效应，所述的三维管状负泊松比结构包括内凹六边形、“人”字形、星形、三角形、双箭头形等蜂窝拓扑管状结构。

本发明具体实施过程如下：

(1)选材：根据欲成型材料的形状、效应选择成型模具的种类和几何结构尺寸；根据才成型材料的性能要求选择相应的增强体材料和基质材料；并根据基质材料的性能选择成型方式。

(2)复合：RTM复合方式下，先在阴模的结构槽内刷上一层脱模剂，然后将增强体放进结构槽内，再将导流管采用粘接方法固定在引流槽内，覆盖上刷有脱模剂的阳模，用密封薄膜将阴模和阳模密封好，最后采用真空泵抽基质，进行复合；VARTM复合方式下先在阴模的结构槽内刷上一层脱模剂，然后将增强体放进结构槽内，盖上脱模布和阳模，将准备好的阴模放入真空袋内，开动机器，进行复合；模压成型条件下，分别将刷有脱模剂的阴模和阳模，固定在机器的上下压板上，放入增强体和基质，然后开动液压机进行复合；喷射成型复合方式下，先将刷有脱模剂的阴模放在相应位置，然后将增强体和基质放在相应容器内，开动机器进行复合；手糊成型复合方式下，将模具放在高温环境下，阴模结构槽内刷脱模剂，然后放入增强体和基质，并用相应工具刷平复合材料。

(3)固化：将复合过得半成型材料放入烘箱或者常温条件下进行冷却固化。

(4)取材：将复合材料从模具中取下来，得到成型的复合材料。

图1、图2、图3、图4、图5是本发明负泊松比结构复合材料成型模具的整体结构示意图，它们的横截面结构分别是内六角形、“人”字形、双箭头形、星形、三角形。其中，阴模1由成型槽11，第一手柄12，加热板13组成，成型槽由结构槽111和第一引流槽112组成，手柄由隔热垫122包覆铁柄121构成，加热板为成型槽背部金属板。阳模2由挤压模21和第二手柄22组成，挤压模由浮雕在金属板上的凸模211和凹进金属板的第二引流槽212构成。

当成型槽深度和挤压模凸出尺寸较小时可以通过将纤维材料与基质复合得到二维负泊松比结构纺织复合材料，如图6、图7、图8、图9、图10所示，它们分别为二维内六角形结构材料、二维“人”字形结构材料、二维双箭头形结构材料、二维星形材料及二维三角形结构材料。

具有二维负泊松比效应的纺织复合材料，可以是包括短纤维、长丝、纱线以及相应的复合材料在内的纺织品材料，增强体可以是天然纤维、高性能纤维、以及普通合成纤维；基质材料可以使硅橡胶、聚氨酯、塑料、及其他树脂材料等。根据应用方向的不同，所发明的二维负泊松比纺织材料的性能，形状，厚度尺寸不同。可以用做人造成形瓣膜、人造血管、食管内支架等医疗用品，汽车安全带、安全座椅、运动防护服装及装备、赛车服、防震手套、防震头盔等人体防护用具，滤网、耳机膜等等功能纺织品；童装、孕妇装、文胸等普通防护用品。

当增加成型槽和挤压模凸出尺寸到一定程度，可以制备三维负泊松比结构纺织复合材料，如图11、图12、图13、图14、图15所示。它们分别三维内六角形负泊松比结构纺织复合材料、三维“人”字形负泊松比结构纺织复合材料、三维双箭头形负泊松比结构纺织复合材料、三维星形负泊松比结构纺织复合材料、三维三角形负泊松比结构纺织复合材料。

具有三维管状维负泊松比效应纺织复合材料，包括短纤维、长丝、纱线以及相应的复合材料在内的纺织品材料，增强体可以是天然纤维、高性能纤维、以及普通合成纤维；基质材料可以使硅橡胶、聚氨酯、塑料、及其他树脂材料等。根据应用方向的不同，所发明的三维管状负泊松比纺织材料的性能，形状，厚度尺寸不同。可用作缓冲、防弹防刺、减振、隔热、过滤等功能纺织品；汽车安全带、汽车坐垫、安全座椅、靠背、睡垫、床垫、运动防护服装及装备、赛车服、防震手套、防震头盔等人体防护用具；高性能拉胀复合材料可用作深海作业、航天航空材料、建筑材料等。

下面通过使用上述成型模具制得的五种产品来进一步说明本发明。

具体涉及如下5个实施例：实施例1双箭头形汽车吸音盒制造方法；实施例2内凹六角形芳纶防弹服制造方法；实施例3星型深海渔网箱管材成形方法；实施例4“人”字形碳纤维/硅橡胶复合材料制备方法；实施例5三角形聚氨酯包装泡沫成形方法。

对5个实施例所涉及的构成部件进行对应的参数设置，包括(1)模具的设计，根据最终产品的质量、厚度尺寸要求，设计模具的尺寸，成型槽形状、深度、宽度等；(2)纤维的选择，根据产品质量和性能要求，选择具有一定形态、性能的增强纤维；(3)基质材料的选择，根据产品质量、性能要求，以及纤维增强体的选择，选择与纤维增强体粘合度较好的基质；(4)复合方式及参数设计，根据增强体和基质的性能，选择合适的成型方式，设计相应的复合参数，比如基质含量、复合时间、复合温度、固化温度及固化时间等。该实施例的设置参数见表1所示。

表1

不难发现，本发明在于实现一种制备方法简单、生产效率高、适用范围广、生产成本低的负泊松比纺织复合材料的加工方法。本发明通过向阴模成型槽内添加短纤维或者长丝，然后用橡胶、树脂、塑料等基质与之复合，由阳模压印，制备出具有不同花纹效应的负泊松比复合材料。模具阴模成型槽浅，阳模压深度小时，可以得到二维负泊松比的纺织复合材料，根据应用方向的不同，所发明的二维负泊松比纺织材料的性能，形状，厚度尺寸不同。可以用做人造成形瓣膜、人造血管、食管内支架等医疗用品，汽车安全带、安全座椅、运动防护服装及装备、赛车服、防震手套、防震头盔等人体防护用具，滤网、耳机膜等等功能纺织品；童装、孕妇装、文胸等普通防护用品。增加阴模成型槽深度和阳模压印深度可以制得三维管状维负泊松比效应纺织复合材料，根据应用方向的不同，所发明的三维管状负泊松比纺织材料的性能，形状，厚度尺寸不同。可用作缓冲、防弹防刺、减振、隔热、过滤等功能纺织品；汽车安全带、汽车坐垫、安全座椅、靠背、睡垫、床垫、运动防护服装及装备、赛车服、防震手套、防震头盔等人体防护用具；高性能拉胀复合材料可用作深海作业、航天航空材料、建筑材料等。

Claims (10)

1.一种负泊松比纺织复合材料成型模具，包括阴模和阳模，其特征在于，所述阴模包括成型槽和加热板，所述的成型槽包括具有负泊松比结构的结构槽和第一引流槽；所述加热板位于成型槽背面，用于基质的加热熔融；所述阳模包括挤压模，所述挤压模包括凸槽和第二引流槽，所述凸槽的尺寸形状与所述结构槽的相互吻合，使得凸槽和结构槽能够相互耦合；所述第一引流槽和第二引流槽用于控制粘性液体的流入和流出所述结构槽。

2.根据权利要求1所述的负泊松比纺织复合材料成型模具，其特征在于，所述结构槽为内凹六边形的蜂窝拓扑结构、“人”字形的蜂窝拓扑结构、星形的蜂窝拓扑结构、三角形的蜂窝拓扑结构、或双箭头形的蜂窝拓扑结构。

3.根据权利要求1所述的负泊松比纺织复合材料成型模具，其特征在于，所述成型槽的两侧还设有第一手柄，所述第一手柄为铁柄，所述铁柄外包覆有隔热垫。

4.根据权利要求1所述的负泊松比纺织复合材料成型模具，其特征在于，所述挤压模的两侧还设有第二手柄，所述第二手柄为铁柄，所述铁柄外包覆有隔热垫。

5.一种使用如权要求1-4中任一所述负泊松比纺织复合材料成型模具的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选材：根据欲成型材料的形状、效应选择成型模具的种类和几何结构尺寸；根据成型材料的性能要求选择相应的增强体材料和基质材料；并根据基质材料的性能选择成型方式；

(2)复合：将增强体材料和基质材料放入阴模和阳模中，并完成阴模和阳模的复合；

(3)固化：将复合过的半成型材料放入烘箱或者常温条件下进行冷却固化；

(4)取材：将复合材料从模具中取下来，得到成型的复合材料。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用RTM复合方式时，先在阴模的结构槽内刷上一层脱模剂，然后将增强体材料放进结构槽内，再将导流管采用粘接方法固定在第一引流槽内，覆盖上刷有脱模剂的阳模，用密封薄膜将阴模和阳模密封好，最后采用真空泵抽基质材料，进行复合。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用VARTM复合方式时，先在阴模的结构槽内刷上一层脱模剂，然后将增强体材料放进结构槽内，盖上脱模布和阳模，将准备好的阴模放入真空袋内，开动机器，进行复合。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用模压成型时，分别将刷有脱模剂的阴模和阳模，固定在机器的上下压板上，在阴模和阳模中放入增强体材料和基质材料，然后开动液压机进行复合。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用喷射成型复合时，先将刷有脱模剂的阴模放在相应位置，然后将增强体材料和基质材料放在相应容器内，开动机器进行复合。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用手糊成型复合方式时，将模具放在高温环境下，阴模的结构槽内刷脱模剂，然后放入增强体材料和基质材料，并用相应工具刷平复合材料。