CN108127931A - 仿蛛丝非线性力学特性复合材料结构 - Google Patents

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Abstract

仿蛛丝非线性力学特性复合材料结构，包括螺旋交叉结构和梯度界面结构，螺旋交叉结构包括平面螺旋交叉结构和空间螺旋交叉结构；平面螺旋交叉结构包括由两条振幅及周期相同、相位差为半周期的正弦曲线组成第一交叉结构，第一交叉结构与外围矩形边框连接；空间螺旋交叉结构包括骨架，骨架缠绕有若干螺旋线构成的第二交叉结构；梯度界面结构采用双层界面结构，包括第一种基体材料，第一种基体材料内部包裹连续纤维，第一种基体材料外部通过第二种基体材料包裹；采用本发明仿蛛丝非线性力学特性复合材料结构，具有多重模量梯度，对于不同的载荷环境会产生不同的响应，能够提高零件的环境适用性，应用于复杂工况条件下具有十分明显的优势。

Description

仿蛛丝非线性力学特性复合材料结构
技术领域
本发明涉及高性能复合材料技术领域，具体涉及仿蛛丝非线性力学特性复合材料结构。
背景技术
在拉伸载荷作用下，传统的结构材料和复合材料发生弹性变形时，一般拥有一个不变的模量，即拉伸应力随着应变的增大而近似线性地增大，直到材料发生屈服和塑性变形或发生断裂。通常，刚度强度较好的材料，比如铁，其初始拉伸模量较大，但韧性较差，容易在小变形下发生疲劳断裂；而韧性和抗冲击性能较好的材料，如橡胶，其刚度又难以满足要求。这一“模量不变”的性质显然限制了材料的应用范围。
与之相对的，模量阶段性变化，即拥有非线性力学性能的材料则在很多方面体现出了明显的优势，一个典型的例子就是天然蛛丝材料。在材料和结构的协同作用下，蜘蛛丝的微观结构呈现螺旋状，从而表现出非线性力学性能，这一特性使得蛛丝编织出的网既有出色的强度，又有极强的韧性和抗冲击性，同时又能使破坏局部化，避免缺陷扩散到整张蛛网。
可见，创新非线性力学特性的高性能复合材料结构的设计与制造方法，并将其应用到轻质高性能空间桁架结构的设计与制造中，具有十分重要的意义。
目前，获得非线性力学特性复合材料的方法是设计一种分层复合材料，这种方法有以下几方面不足：
1)模量只能阶段性地随变形增大而增大，无法实现更复杂的模量变化，如先减小后增大，同时抗冲击性仍有待提高。
2)需要分别制造每层的材料再将各层材料连接在一起，制造一体性较差。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供仿蛛丝非线性力学特性复合材料结构，通过一体性制造，能够实现更复杂的模量变化，抗冲击性高。
为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
仿蛛丝非线性力学特性复合材料结构，包括螺旋交叉结构和梯度界面结构，螺旋交叉结构包括平面螺旋交叉结构和空间螺旋交叉结构；
所述的平面螺旋交叉结构包括由两条振幅及周期相同、相位差为半周期的正弦曲线1组成第一交叉结构3，第一交叉结构3与外围矩形边框2连接。
所述的平面螺旋交叉结构采用连续纤维增强复合材料3D打印工艺进行制造，外围矩形边框2采用纯热塑性材料，打印时控制不同材料的打印喷嘴按照路径打印得到平面螺旋交叉结构。
所述的平面螺旋交叉结构在受到拉力过程中时，开始阶段外围矩形边框2是主要承力对象，发生弹性变形，第一交叉结构3只发生结构变形承受小部分的拉力，当变形达到极限时，第一交叉结构3被拉直成为主要受力对象，通过以上两次受力的过程形成平面螺旋交叉结构的非线性力学性能；通过调整正弦曲线1振幅与周期，外围矩形边框2宽度；或分别调整外围矩形边框2和第一交叉结构3的材料；或调整打印温度、喷嘴直径的打印参数，实现平面螺旋交叉结构性能可控制造。
所述的空间螺旋交叉结构包括骨架4，骨架4缠绕有若干螺旋线5构成的第二交叉结构6。
所述的空间螺旋交叉结构采用空间多自由度3D打印工艺进行制造，通过调整螺旋线5螺距大小，骨架4粗细的结构几何参数；或分别调整骨架4的材料；或调整打印温度、喷嘴直径的打印参数，实现空间螺旋交叉结构性能可控制造。
所述的梯度界面结构采用双层界面结构，包括第一种基体材料8，第一种基体材料8内部包裹连续纤维9，第一种基体材料8外部通过第二种基体材料7包裹，第一种基体材料8和连续纤维9形成一级纤维界面10，第一种基体材料8和第二种基体材料7形成不同基体材料的二级树脂界面11。
所述的梯度界面结构的制造方法为：首先采用连续纤维增强热塑性复合材料3D打印工艺以连续纤维9与第一种基体材料8为原材料经一次打印制备纤维预浸丝，纤维预浸丝中连续纤维9与第一种基体材料8相结合形成一级纤维界面10，再继续以纤维预浸丝以及第二种基体材料7为原材料进行二次打印，使得第二种基体材料7包裹在第一种基体材料8表面形成二级树脂界面11，一级纤维界面10与二级树脂界面11构成梯度界面结构。
所述的梯度界面结构受拉力作用时，二级树脂界面11先达到受力极限发生破坏，之后一级纤维界面10再发生破坏，通过以上两次受力过程形成梯度界面结构的非线性力学性能；通过选择不同的第一种基体材料8、第二种基体材料7，或改变第一种基体材料8、第二种基体材料7顺序，形成不同界面，或调整打印参数，从而实现梯度界面结构性能可控制造。
本发明的有益效果为：采用本发明仿蛛丝非线性力学特性复合材料结构，具有多重模量梯度，对于不同的载荷环境会产生不同的响应，能够提高零件的环境适用性，应用于复杂工况条件下具有十分明显的优势。
附图说明
图1是平面螺旋交叉结构示意图。
图2是空间螺旋交叉结构示意图。
图3为梯度界面结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
仿蛛丝非线性力学特性复合材料结构，包括螺旋交叉结构和梯度界面结构，螺旋交叉结构包括平面螺旋交叉结构和空间螺旋交叉结构；
参照图1，所述的平面螺旋交叉结构包括由两条振幅及周期相同、相位差为半周期的正弦曲线1组成第一交叉结构3，第一交叉结构3与外围矩形边框2连接。
所述的平面螺旋交叉结构采用连续纤维增强复合材料3D打印工艺进行制造，连续纤维增强复合材料如橡胶增强芳纶纤维等；外围矩形边框2采用弹性较好的纯热塑性材料如橡胶、TPU、尼龙等；打印时控制不同材料的打印喷嘴按照路径打印得到平面螺旋交叉结构。
所述的平面螺旋交叉结构在受到拉力过程中时，开始阶段外围矩形边框2是主要承力对象，发生弹性变形，第一交叉结构3只发生结构变形承受小部分的拉力，当变形达到极限时，第一交叉结构3被拉直成为主要受力对象，通过以上两次受力的过程形成平面螺旋交叉结构的非线性力学性能；通过调整正弦曲线1振幅与周期，外围矩形边框2宽度；或分别调整外围矩形边框2和第一交叉结构3的材料；或调整打印温度、喷嘴直径的打印参数，实现平面螺旋交叉结构性能可控制造。
参照图2，所述的空间螺旋交叉结构包括骨架4，骨架4缠绕有若干螺旋线5构成的第二交叉结构6。
所述的空间螺旋交叉结构采用空间多自由度3D打印工艺进行制造，通过调整螺旋线5螺距大小，骨架4粗细的结构几何参数；或分别调整骨架4的材料；或调整打印温度、喷嘴直径的打印参数，实现空间螺旋交叉结构性能可控制造。
参照图3，所述的梯度界面结构采用双层界面结构，包括第一种基体材料8，第一种基体材料8内部包裹连续纤维9，第一种基体材料8外部通过第二种基体材料7包裹，第一种基体材料8和连续纤维9形成一级纤维界面10，第一种基体材料8和第二种基体材料7形成不同基体材料的二级树脂界面11。
所述的梯度界面结构的制造方法为：首先采用连续纤维增强热塑性复合材料3D打印工艺以连续纤维9与第一种基体材料8为原材料经一次打印制备纤维预浸丝，纤维预浸丝中连续纤维9与第一种基体材料8相结合形成一级纤维界面10，再继续以纤维预浸丝以及第二种基体材料7为原材料进行二次打印，使得第二种基体材料7包裹在第一种基体材料8表面形成二级树脂界面11，一级纤维界面10与二级树脂界面11构成梯度界面结构。
所述的梯度界面结构受拉力作用时，二级树脂界面11先达到受力极限发生破坏，之后一级纤维界面10再发生破坏，通过以上两次受力过程形成梯度界面结构的非线性力学性能；通过选择不同的第一种基体材料8、第二种基体材料7，或改变第一种基体材料8、第二种基体材料7顺序，形成不同界面，或调整打印参数，从而实现梯度界面结构性能可控制造。

Claims (8)

1.仿蛛丝非线性力学特性复合材料结构，包括螺旋交叉结构和梯度界面结构，其特征在于：螺旋交叉结构包括平面螺旋交叉结构和空间螺旋交叉结构；
所述的平面螺旋交叉结构包括由两条振幅及周期相同、相位差为半周期的正弦曲线(1)组成第一交叉结构(3)，第一交叉结构(3)与外围矩形边框(2)连接。
2.根据权利要求1所述的仿蛛丝非线性力学特性复合材料结构，其特征在于：所述的平面螺旋交叉结构采用连续纤维增强复合材料3D打印工艺进行制造，外围矩形边框(2)采用纯热塑性材料，打印时控制不同材料的打印喷嘴按照路径打印得到平面螺旋交叉结构。
3.根据权利要求1所述的仿蛛丝非线性力学特性复合材料结构，其特征在于：所述的平面螺旋交叉结构在受到拉力过程中时，开始阶段外围矩形边框(2)是主要承力对象，发生弹性变形，第一交叉结构(3)只发生结构变形承受小部分的拉力，当变形达到极限时，第一交叉结构(3)被拉直成为主要受力对象，通过以上两次受力的过程形成平面螺旋交叉结构的非线性力学性能；通过调整正弦曲线(1)振幅与周期，外围矩形边框(2)宽度；或分别调整外围矩形边框(2)和第一交叉结构(3)的材料；或调整打印温度、喷嘴直径的打印参数，实现平面螺旋交叉结构性能可控制造。
4.根据权利要求1所述的仿蛛丝非线性力学特性复合材料结构，其特征在于：所述的空间螺旋交叉结构包括骨架(4)，骨架(4)缠绕有若干螺旋线(5)构成的第二交叉结构(6)。
5.根据权利要求4所述的仿蛛丝非线性力学特性复合材料结构，其特征在于：所述的空间螺旋交叉结构采用空间多自由度3D打印工艺进行制造，通过调整螺旋线(5)螺距大小，骨架(4)粗细的结构几何参数；或分别调整骨架(4)的材料；或调整打印温度、喷嘴直径的打印参数，实现空间螺旋交叉结构性能可控制造。
6.根据权利要求1所述的仿蛛丝非线性力学特性复合材料结构，其特征在于：所述的梯度界面结构采用双层界面结构，包括第一种基体材料(8)，第一种基体材料(8)内部包裹连续纤维(9)，第一种基体材料(8)外部通过第二种基体材料(7)包裹，第一种基体材料(8)和连续纤维(9)形成一级纤维界面(10)，第一种基体材料(8)和第二种基体材料(7)形成不同基体材料的二级树脂界面(11)。
7.根据权利要求6所述的仿蛛丝非线性力学特性复合材料结构，其特征在于：所述的梯度界面结构的制造方法为：首先采用连续纤维增强热塑性复合材料3D打印工艺以连续纤维(9)与第一种基体材料(8)为原材料经一次打印制备纤维预浸丝，纤维预浸丝中连续纤维(9)与第一种基体材料(8)相结合形成一级纤维界面(10)，再继续以纤维预浸丝以及第二种基体材料(7)为原材料进行二次打印，使得第二种基体材料(7)包裹在第一种基体材料(8)表面形成二级树脂界面(11)，一级纤维界面(10)与二级树脂界面(11)构成梯度界面结构。
8.根据权利要求6所述的仿蛛丝非线性力学特性复合材料结构，其特征在于：所述的梯度界面结构受拉力作用时，二级树脂界面(11)先达到受力极限发生破坏，之后一级纤维界面(10)再发生破坏，通过以上两次受力过程形成梯度界面结构的非线性力学性能；通过选择不同的第一种基体材料(8)、第二种基体材料(7)，或改变第一种基体材料(8)、第二种基体材料(7)顺序，形成不同界面，或调整打印参数，从而实现梯度界面结构性能可控制造。
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