CN109648943B - 一种仿生复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种仿生复合材料及其制备方法。所述仿生复合材料包括交替设置的正弦纤维树脂层和螺旋纤维树脂层，所述正弦纤维树脂层与螺旋纤维树脂层之间为正弦曲率半径渐增式过渡联接；所述正弦纤维树脂层由纤维树脂层按正弦曲线的形状多层铺排而成，所述螺旋纤维树脂层由纤维树脂层按照每次铺敷时较上一层转过相等角度，最终转过180°为一个周期，循环铺敷若干个周期而成，所述纤维树脂层由纤维经树脂浸润而成。本发明借鉴了螳螂虾的鳌棒抗冲击纤维结构与功能启示，实现了通过不同纤维结构的相互耦合与协同作用，提升层状复合材料性能，解决普遍使用的层状纤维复合材料的铺层结构单一、抗冲击性能提升困难等缺点。

Description

一种仿生复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及功能复合材料制备技术领域，尤其涉及一种仿生复合材料及其制备方法。
背景技术
随着现代工程技术的不断发展，航空、航天、汽车、轨道交通等领域对于工程材料的要求不断提升。现代工程技术领域往往要求材料在拥有良好力学性能的前提下具有相对较轻的质量，以减少相应的能源消耗。而在满足轻量化的同时往往还需要保证工程部件的可靠性，而冲击损伤作为一种工程领域中较为常见的材料破坏方式，常常会导致材料失效，严重的影响了机械零部件及相关仪器的稳定运行与正常工作。因此如何在满足材料具有良好抗冲击性能的前提下实现轻量化，是当前工程领域中函待解决的难题。
自然界中具有诸多具有轻质、高强、抗冲击性能的生物为轻质、高强抗冲击材料的设计提供了思路。雀尾螳螂虾的鳌棒能够击穿较为坚韧的贝壳材料，其攻击猎物时的冲击力甚至可以达到60千克，攻击速度达到80千米每小时。螳螂虾的武器在具有较轻质量同时兼具耐冲击的性能，大约在敲击5万次才会发生损坏。其内部结构主要由冲击区、周期区组成；冲击区是由矿化的甲壳素纤维经正弦排列形成，其主要作用是均化应力，防止材料因局部应力、应变过大所导致的失效；冲击区下方是由矿化甲壳素纤维经螺旋状排列所组成的周期区，其主要起到耗散冲击能量保证材料韧性的目的。生物这种通过不同结构相互耦合、协同作用来达到优异材料性能的办法，为实现工程材料领域中轻质、高强、抗冲击的要求提供了较为良好的思路。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种仿生复合材料及其制备方法，旨在解决现有普遍使用的层状纤维复合材料的铺层结构单一、抗冲击性能提升困难等的问题。
本发明的技术方案如下：
一种仿生复合材料，其中，包括交替设置的正弦纤维树脂层和螺旋纤维树脂层，所述正弦纤维树脂层与螺旋纤维树脂层之间为正弦曲率半径渐增式过渡联接；所述正弦纤维树脂层由纤维树脂层按正弦曲线的形状多层铺排而成，所述螺旋纤维树脂层由纤维树脂层按照每次铺敷时较上一层转过相等角度，最终转过180°为一个周期，循环铺敷若干个周期而成，所述纤维树脂层由纤维经树脂浸润而成。
所述的仿生复合材料，其中，所述正弦纤维树脂层在靠近螺旋纤维树脂层时，通过改变正弦纤维树脂层的周期和振幅使正弦纤维树脂层铺排逐渐趋于平缓，过渡至螺旋纤维树脂层。
所述的仿生复合材料，其中，所述仿生复合材料中，所述纤维的重量百分比含量为40%~70%。
所述的仿生复合材料，其中，所述螺旋纤维树脂层的厚度为1.8~30mm，铺层转角为10°~60°，铺敷周期为1~6。
所述的仿生复合材料，其中，所述正弦纤维树脂层的厚度为3~30mm。
所述的仿生复合材料，其中，所述正弦纤维树脂层的周期为2~12mm，振幅为0.5~2.5mm。
所述的仿生复合材料的制备方法，其中，所述树脂为热固性树脂或热塑性树脂。
所述的仿生复合材料，其中，所述纤维选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、凯夫拉纤维、麻纤维和木纤维中的一种。
一种本发明所述的仿生复合材料的制备方法，其中，包括：
步骤一：将纤维经树脂浸润形成纤维树脂层；
步骤二：将纤维树脂层通过手工铺排的方式分别铺敷成螺旋纤维树脂层和正弦纤维树脂层；
步骤三：将螺旋纤维树脂层、正弦纤维树脂层交替铺放于模具型腔中；
步骤四：将模具型腔内交替铺好的层结构在预定温度、预定压力下进行固化处理，制成仿生复合材料。
所述的仿生复合材料的制备方法，其中，所述固化处理所采用的的固化剂为聚醚胺或异佛尔酮二胺；和/或，
所述预定温度为50-300℃，所述预定压力为1-30MPa，所述固化处理的时间为4-20小时。
有益效果：本发明借鉴了螳螂虾的鳌棒抗冲击纤维结构与功能启示，实现了通过不同纤维结构的相互耦合与协同作用，提升层状复合材料性能，解决普遍使用的层状纤维复合材料的铺层结构单一、抗冲击性能提升困难等缺点；作为新型抗冲击层状复合材料，所述仿生复合材料在航空、航天、轨道交通、汽车等领域具有广阔应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例中一种仿生复合材料的结构示意图。
图2a为本发明实施例中螺旋纤维树脂层的结构示意图。
图2b为本发明实施例中螺旋纤维树脂层裂纹扩展的示意图。
图3a为本发明实施例中铺层转角为30°时的螺旋纤维树脂层的结构示意图。
图3b为本发明实施例中铺层转角为18°时的螺旋纤维树脂层的结构示意图。
图3c为本发明实施例中铺层转角为10°时的螺旋纤维树脂层的结构示意图。
图4a为本发明实施例中铺层转角为18°铺敷1个周期的螺旋纤维树脂层的结构示意图。
图4b为本发明实施例中铺层转角为18°铺敷2个周期的螺旋纤维树脂层的结构示意图。
图4c为本发明实施例中铺层转角为18°铺敷3个周期的螺旋纤维树脂层的结构示意图。
图5是本发明实施例中正弦纤维树脂层的结构示意图。
图6a为本发明实施例中同周期下振幅为0.5mm的正弦纤维树脂层的结构示意图。
图6b为本发明实施例中同周期下振幅为1mm的正弦纤维树脂层的结构示意图。
图6c为本发明实施例中同周期下振幅为2mm的正弦纤维树脂层的结构示意图。
图7a为本发明实施例中同振幅下周期为2mm的正弦纤维树脂层的结构示意图。
图7b为本发明实施例中同周期下周期为4mm的正弦纤维树脂层的结构示意图。
图7c为本发明实施例中同周期下周期为8mm的正弦纤维树脂层的结构示意图。
图8为本发明实施例中正弦纤维树脂层与螺旋纤维树脂层的过渡连接示意图。
具体实施方式
本发明提供一种仿生复合材料及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请结合图1所示，图1为本发明实施例提供的一种仿生复合材料的结构示意图，其中，包括交替设置的正弦纤维树脂层1和螺旋纤维树脂层2（图中3为树脂基体），所述正弦纤维树脂层1与螺旋纤维树脂层2之间为正弦曲率半径渐增式过渡联接；所述正弦纤维树脂层1由纤维树脂层按正弦曲线的形状多层铺排而成，所述螺旋纤维树脂层2由纤维树脂层按照每次铺敷时较上一层转过相等角度，最终转过180°为一个周期，循环铺敷若干个周期而成，所述纤维树脂层由纤维经树脂浸润而成。
本实施例中，所述正弦纤维树脂层由纤维树脂层按正弦曲线的形状多层铺排而成，具有均化应力，防止局部应力过大的效果；所述螺旋纤维树脂层由纤维树脂层变角度多层铺排而成，具有吸收冲击能，增强材料韧性的作用；所述正弦纤维树脂层与螺旋纤维树脂层之间采取正弦曲率半径渐增式过渡联接。本发明实施例借鉴了螳螂虾的鳌棒抗冲击纤维结构与功能启示，实现了通过不同纤维结构的相互耦合与协同作用，提升层状复合材料性能，解决普遍使用的层状纤维复合材料的铺层结构单一、抗冲击性能提升困难等缺点；作为新型抗冲击层状复合材料，其在航空、航天、轨道交通、汽车等领域具有广阔应用前景。
本实施例中，如图2a所示，所述螺旋纤维树脂层由纤维树脂层按照每次铺敷时较上一层转过相等角度，最终转过180°为一个周期，循环铺敷若干个周期而成。所述螺旋纤维树脂层通过改变铺层转角以及铺敷周期等参数可实现螺旋纤维树脂层结构的变化。所述螺旋纤维树脂层裂纹扩展的示意图如图2b所示，在外载荷的作用下，产生于螺旋纤维树脂层的裂纹不会沿直线传播，而是不断地发生偏转和扭曲，从而在防止裂纹灾难性扩张的同时耗散了大量的能量，从而提高了材料的固有韧性和耐用性。
本实施例中，通过改变铺层转角可以改变螺旋纤维树脂层的结构。在一种优选的实施方式中，所述螺旋纤维树脂层的铺层转角为10°~60°。其中：图3a为铺层转角为30°时的螺旋纤维树脂层的结构示意图；图3b为铺层转角为18°时的螺旋纤维树脂层的结构示意图；图3c为铺层转角为10°时的螺旋纤维树脂层的结构示意图。
本实施例中，通过改变铺敷周期可以改变螺旋纤维树脂层的结构。在一种优选的实施方式中，铺敷周期为1~6。其中，图4a为铺层转角为18°铺敷1个周期的螺旋纤维树脂层的结构示意图；图4b为铺层转角为18°铺敷2个周期的螺旋纤维树脂层的结构示意图；图4c为铺层转角为18°铺敷3个周期的螺旋纤维树脂层的结构示意图。本实施例中，根据铺层转角，以及相应的板厚，合理地调整铺层周期。
在一种优选的实施方式中，所述螺旋纤维树脂层的厚度为1.8~30mm。需说明的是，所述仿生复合材料由交替设置的正弦纤维树脂层和螺旋纤维树脂层构成，本实施例中所述螺旋纤维树脂层的厚度指的是所述仿生复合材料中每层所述螺旋纤维树脂层的厚度。
本实施例中，如图5所示，所述正弦纤维树脂层由纤维树脂层按正弦曲线的形状多层铺排而成。具体的，所述正弦纤维树脂层是指将纤维树脂层通过手工铺敷的形式使其结构满足相应的正弦曲线的一种结构。通过改变正弦曲线的周期和振幅，可实现正弦纤维树脂层结构的变化。
本实施例中，通过改变正弦曲线的振幅可以改变正弦纤维树脂层的结构。在一种优选的实施方式中，所述正弦纤维树脂层的振幅变化范围为0.5~2.5mm。其中：图6a为同周期下振幅为0.5mm的正弦纤维树脂层的结构示意图；图6b为同周期下振幅为1mm的正弦纤维树脂层的结构示意图；图6c为同周期下振幅为2mm的正弦纤维树脂层的结构示意图。
本实施例中，通过改变正弦曲线的周期可以改变正弦纤维树脂层的结构。在一种优选的实施方式中，所述正弦纤维树脂层的周期变化范围为2~12mm。其中：图7a为同振幅下周期为2mm的正弦纤维树脂层的结构示意图；图7b为同周期下周期为4mm的正弦纤维树脂层的结构示意图；图7c为同周期下周期为8mm的正弦纤维树脂层的结构示意图。
在一种优选的实施方式中，所述正弦纤维树脂层的厚度为3~30mm。需说明的是，所述仿生复合材料由交替设置的正弦纤维树脂层和螺旋纤维树脂层构成，本实施例中所述正弦纤维树脂层的厚度指的是所述仿生复合材料中每层所述正弦纤维树脂层的厚度。
本实施例中，如图8所示，所述正弦纤维树脂层与螺旋纤维树脂层之间采取正弦曲率半径渐增式过渡联接。即所述正弦纤维树脂层在靠近螺旋纤维树脂层时，通过改变正弦纤维树脂层的周期和振幅使正弦纤维树脂层铺排逐渐趋于平缓，最终过渡至螺旋纤维树脂层的平面铺排结构。
本实施例中，所述纤维树脂层由纤维经树脂浸润而成。其中所述树脂为热固性树脂或热塑性树脂。
在一种优选的实施方式中，所述仿生复合材料中，所述纤维的重量百分比含量为40%~70%。
在一种优选的实施方式中，所述纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、凯夫拉纤维、麻纤维和木纤维中的一种。
与现有技术相比，本发明实施例的优点在于：
1、本发明实施例是基于生物体内部纤维排布结构所具有轻质、高强、抗冲击的特性，将仿生的设计理念融入传统的纤维增强复合材料的设计中。针对现有工程技术中对于材料轻质、高强、抗冲击的要求进行纤维种类、铺敷层数、铺层角度等参数的优选，制备出一种纤维复合材料的仿生轻量、抗冲击结构。
2、本发明实施例解决了传统工程材料较为笨重的缺点，较传统金属材料减轻40%~60%，在具有良好抗冲击性能的条件下实现了材料的轻量化，冲击性能相较于传统的纤维增强复合材料可提高15%~20%，可广泛应用于汽车、船舶、轨道交通、航空航天等领域。
本发明实施例还提供一种仿生复合材料的制备方法，其中，包括：
步骤一：将纤维经树脂浸润形成纤维树脂层；
步骤二：将纤维树脂层通过手工铺排的方式分别铺敷成螺旋纤维树脂层和正弦纤维树脂层；
步骤三：将螺旋纤维树脂层、正弦纤维树脂层交替铺放于模具型腔中；
步骤四：将模具型腔内交替铺好的层结构在预定温度、预定压力下进行固化处理，制成仿生复合材料。
在一种优选的实施方式中，步骤四中，所述固化处理所采用的的固化剂为聚醚胺（PEA）或异佛尔酮二胺（IPDA）等。
在一种优选的实施方式中，步骤四中，所述预定温度为50-300℃，所述预定压力为1-30MPa，所述固化处理的时间为4-20小时。换句话说，将已交替铺排好的层结构经在50-300℃温度、1-30MPa压力下固化4-20小时，得到所述仿生复合材料。
综上所述，本发明提供的一种仿生复合材料及其制备方法，本发明借鉴了螳螂虾的鳌棒抗冲击纤维结构与功能启示，实现了通过不同纤维结构的相互耦合与协同作用，提升层状复合材料性能，解决普遍使用的层状纤维复合材料的铺层结构单一、抗冲击性能提升困难等缺点；作为新型抗冲击层状复合材料，所述仿生复合材料在航空、航天、轨道交通、汽车等领域具有广阔应用前景。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种仿生复合材料，其特征在于，包括交替设置的正弦纤维树脂层和螺旋纤维树脂层，所述正弦纤维树脂层与螺旋纤维树脂层之间为正弦曲率半径渐增式过渡联接；所述正弦纤维树脂层由纤维树脂层按正弦曲线的形状多层铺排而成，所述螺旋纤维树脂层由纤维树脂层按照每次铺敷时较上一层转过相等角度，最终转过180°为一个周期，循环铺敷若干个周期而成，所述纤维树脂层由纤维经树脂浸润而成。
2.根据权利要求1所述的仿生复合材料，其特征在于，所述正弦纤维树脂层在靠近螺旋纤维树脂层时，通过改变正弦纤维树脂层的周期和振幅使正弦纤维树脂层铺排逐渐趋于平缓，过渡至螺旋纤维树脂层。
3.根据权利要求1所述的仿生复合材料，其特征在于，所述仿生复合材料中，所述纤维的重量百分比含量为40％～70％。
4.根据权利要求1所述的仿生复合材料，其特征在于，所述螺旋纤维树脂层的厚度为1.8～30mm，铺层转角为10°～60°，铺敷周期为1～6。
5.根据权利要求1所述的仿生复合材料，其特征在于，所述正弦纤维树脂层的厚度为3～30mm。
6.根据权利要求1所述的仿生复合材料，其特征在于，所述正弦纤维树脂层的周期为2～12mm，振幅为0.5～2.5mm。
7.根据权利要求1所述的仿生复合材料，其特征在于，所述树脂为热固性树脂或热塑性树脂。
8.根据权利要求1所述的仿生复合材料，其特征在于，所述纤维选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、凯夫拉纤维、麻纤维和木纤维中的一种。
9.一种权利要求1-8任一项所述的仿生复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
步骤一：将纤维经树脂浸润形成纤维树脂层；
步骤二：将纤维树脂层通过手工铺排的方式分别铺敷成螺旋纤维树脂层和正弦纤维树脂层；
步骤三：将螺旋纤维树脂层、正弦纤维树脂层交替铺放于模具型腔中；
步骤四：将模具型腔内交替铺好的层结构在预定温度、预定压力下进行固化处理，制成仿生复合材料。
10.根据权利要求9所述的仿生复合材料的制备方法，其特征在于，所述固化处理所采用的的固化剂为聚醚胺或异佛尔酮二胺；
所述预定温度为50-300℃，所述预定压力为1-30MPa，所述固化处理的时间为4-20小时。
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