CN109957870B - 一种纤维材料及纤维复合材料的制备方法 - Google Patents

一种纤维材料及纤维复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纤维材料及纤维复合材料的制备方法，所述纤维材料包括：上纤维层、下纤维层、连接所述上纤维层与下纤维层的中纤维层；其中，所述中纤维层由纬向纤维和经向纤维组成；所述纬向纤维和所述经向纤维均由竖直段纤维和连接在所述竖直段纤维两端的过渡段纤维组成；所述过渡段纤维与所述上纤维层和所述下纤维层在连接处的夹角均为钝角。本发明所述纤维材料具有良好的抗剥离性能。

Description

一种纤维材料及纤维复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及纤维材料领域，尤其涉及一种纤维材料及纤维复合材料的制备方法。
背景技术
随着现代工程技术的不断发展，在航空、航天、轨道运输、汽车等领域对于工程材料的要求不断提高。现代工程技术领域往往要求材料都应具有足够的强度、刚度和稳定性，但传统材料金属、陶瓷因质量大而略显笨拙，导致能量消耗相应增加。而且层间剥离导致的断裂失效作为一种工程领域中较为常见的材料破坏方式，常常会导致材料崩塌式失效，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轻量化时实现具有良好抗层间剥离性能，是当前工程领域中亟待解决的难题。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
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纤维材料及纤维复合材料的制备方法，旨在解决现有工程材料难以满足材料轻量化并同时实现具有良好抗层间剥离性能的问题。
一种纤维材料，其中，包括：上纤维层、下纤维层、连接所述上纤维层与下纤维层的中纤维层；
其中，所述中纤维层由纬向纤维和经向纤维组成；
所述纬向纤维和所述经向纤维均由竖直段纤维和连接在所述竖直段纤维两端的过渡段纤维组成；
所述过渡段纤维与所述上纤维层和所述下纤维层在连接处的夹角均为钝角。
所述的纤维材料，其中，所述过渡段纤维与所述上纤维层在连接处的夹角为150°～170°；
所述过渡段纤维与所述下纤维层在连接处的夹角为150°～170°。
所述的纤维材料，其中，
所述中纤维层中的所述纬向纤维在前后方向上交错铺排；
所述中纤维层中的所述经向纤维在左右方向上交错铺排。
所述的纤维材料，其中，所述中纤维层由多个呈点阵排布的连接单元构成；
所述连接单元中包括第一纬向纤维、位于所述第一纬向纤维后方的第二纬向纤维，第一经向纤维和位于所述第一经向纤维右侧的第二经向纤维；
左右相邻的两个连接单元中的两条第一纬向纤维为同一纤维束；
左右相邻的两个连接单元中的两条第二纬向纤维为同一纤维束；
前后相邻的两个连接单元中的两条第一经向纤维为同一纤维束；
前后相邻的两个连接单元中的两条第二经向纤维为同一纤维束。
所述的纤维材料，其中，所述竖直段纤维的长度为0～8mm。
所述的纤维材料，其中，所述上纤维层的厚度为2～5mm；所述下纤维层的厚度为2～5mm。
一种纤维复合材料的制备方法，其中，包括：
将纤维编织成如上所述的纤维材料；
将所述纤维材料浸润树脂，固化处理后得到纤维复合材料。
所述的纤维复合材料的制备方法，其中，所述的纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、凯夫拉纤维、麻纤维、木纤维中的一种。
所述的纤维复合材料的制备方法，其中，所述纤维复合材料中，纤维的重量百分比为40％～70％。
所述的纤维复合材料的制备方法，其中，所述固化处理所采用的固化剂为聚醚胺或异佛尔酮。
有益效果：本发明中所述过渡段纤维与所述上纤维层和所述下纤维层在连接处的夹角均为钝角，受力时纤维材料发生以拉伸为主的形变，钝角角度渐增，从而提高了纤维材料的抗剥离性能。本发明所述纤维材料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％，抗剥离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。
附图说明
图1为本发明所述纤维材料的结构示意图。
图2为本发明所述纤维材料中的一个连接单元的结构示意图。
图3为本发明所述纤维材料中的另一个连接单元的结构示意图。
图4为本发明单纬向前后交错纤维铺排纤维材料的结构示意图。
图5为本发明图4中纤维材料中纬向单元的结构示意图。
图6为本发明另一单纬向前后交错纤维铺排纤维材料的结构示意图。
图7为本发明图6中纤维材料中纬向单元的结构示意图。
图8为本发明双纬向前后交错纤维铺排纤维材料的结构示意图。
图9为本发明图8中纤维材料中纬向单元的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种纤维材料及纤维复合材料的制备方法，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。
经过数百万年的进化，一些生物形成了优越的材料结构和性能，为研究和开发轻质高强、抗层间剥离材料的设计提供了思路和灵感。与人工泡沫填充管相比，刺猬刺的夹心层与外层皮质层间强有力连接结构通过延迟局部屈曲、增加弹性应变提高了抗层间剥离性能，可降低15％～20％的层间剥离破坏，其中屈曲应变增加50％，局部屈服开始后至最终破坏前压缩应变可到70％，整体结构实验屈曲强度约为皮层的3倍，屈服前吸收的弹性应变能增加3倍。在刺猬刺三明治夹层结构中，中心层角蛋白纤维与上、下层纤维通过钝角平滑过渡连接，主要作用是有效地分散剥离前段的应力集中，缓解局部屈服，提高结构抗层间剥离性能；竖直角蛋白纤维紧密连接上下对称的钝角连接纤维，两者协同作用，提高了结构稳定性；这种三明治夹层结构可很好地实现抗层间剥离断裂，吸收能量的目的。生物这种通过以最少的资源构建最优结构，材料性能与结构设计相结合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、抗层间剥离的要求提供了较为良好的思路。
如图1和图2所示，本发明提供一种纤维材料，包括：上纤维层1、下纤维层2、连接所述上纤维层与下纤维层的中纤维层3；
其中，所述中纤维层由纬向纤维和经向纤维组成；
所述纬向纤维和所述经向纤维均由竖直段纤维31和连接在所述竖直段纤维31两端的过渡段纤维32组成；
所述过渡段纤维32与所述上纤维层1和所述下纤维层2在连接处的夹角均为钝角。
本发明所述纤维材料具有三明治夹层结构，由正交纤维紧密编织的上纤维层1、下纤维层2与夹在所述上纤维层1和下纤维层2的中纤维层3组成，中纤维层3中的竖直段纤维31与中心平面(中心平面平行于所述上纤维层1所在平面)垂直，也即是竖直段纤维31与中心平面夹角为90°，过渡段纤维32与上纤维层1、下纤维层2之间平滑钝角过渡连接。需要说明的是，本发明中所述过渡段纤维32与上纤维层1、下纤维层2的连接方式包括但不限于编织连接、包缠连接、钉串连接、盘结连接。
本发明中上纤维层1和下纤维层2将中纤维层3夹在中间，形成具有三明治夹层结构的纤维材料。其中所述过渡段纤维32与所述上纤维层1和所述下纤维层2在连接处的夹角均为钝角，受力时纤维材料发生以拉伸为主的形变，钝角角度渐增，从而提高了纤维材料的抗剥离性能。本发明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％，抗剥离性能相较于传统的纤维增强复合材料可提高15％～20％，在具有良好抗剥离性能的条件下实现了材料的轻量化，可广泛应用于汽车、船舶、轨道交通、航空航天等领域。
优选地，本发明所述中纤维层3中的纬向纤维和经向纤维均由竖直段纤维31和过渡段纤维32组成，其中过渡段纤维32是实现由竖直段纤维31连接到所述上纤维层1或下纤维层2的平滑过渡段，具体地所述中纤维层3中的纬向纤维和经向纤维在外形上呈现∫状形或单个波浪的形状。需要说明的是，当所述过渡段纤维32为弧线过渡段时，所述过渡段纤维32与所述上纤维层1或下纤维层2在连接处的夹角是指过渡段纤维32与所述上纤维层1或下纤维层2在连接处的弦切角的互补角(钝角)。优选地，所述过渡段纤维32与所述上纤维层1或所述下纤维层2在连接处的夹角为150°～170°，受力时钝角连接纤维发生以拉伸为主的形变，钝角角度渐增，趋向于180°。特别地，作为另一种实施方式，所述过渡段纤维32与上纤维层1和下纤维层2为圆弧连接。
优选地，如图4、5所示，所述中纤维层3中的所述纬向纤维在前后方向上交错铺排；所述中纤维层3中的所述经向纤维在左右方向上交错铺排。也就是说，所述纬向纤维包括自左向右的纬向纤维和自右向左的纬向纤维，即前后方向相邻的纬向纤维构成X的形状(交错相切)；同样，自左向右的纬向纤维与自右向左的纬向纤维在前后方向相互交错，即左右方向相邻的经向纤维构成X的形状(交错相切)。
优选地，结合图1及图2，所述中纤维层3由多个呈点阵排布的连接单元构成；
所述连接单元中包括第一纬向纤维、位于所述第一纬向纤维后方的第二纬向纤维，第一经向纤维和位于所述第一经向纤维右侧的第二经向纤维；
左右相邻的两个连接单元中的两条第一纬向纤维为同一纤维束；
左右相邻的两个连接单元中的两条第二纬向纤维为同一纤维束；
前后相邻的两个连接单元中的两条第一经向纤维为同一纤维束；
前后相邻的两个连接单元中的两条第二经向纤维为同一纤维束。
具体地，所述连接单元在上纤维层1与下纤维层2之间呈现有规则的几何排布，即点阵排布。多个所述连接单元在上纤维层1与下纤维层2之间规则重复排列从而构成了中纤维层3。
如图2、3所示，四条相互邻近的中纤维层中纤维组成一个连接单元，其中所述连接单元中包括一对相互交错的所述纬向纤维即第一纬向纤维和第二纬向纤维与一对相互交错的所述经向纤维即第一经向纤维和第二经向纤维，且所述连接单元具有空间对称结构。如图1所示，所述连接单元在中纤维层中呈点阵排布，经向纤维与纬向纤维空间对称分布，具体地，所述第一纬向纤维和所述第二纬向纤维形成X形(交错相切)，所述第一经向纤维和所述第二经向纤维形成X形(交错相切)，相切点位于竖直段纤维31处。进一步地，所述连接单元之间的距离为15～25mm，经向纤维与纬向纤维结构及排布完全相同，与上下层纤维层正交平纹编织，构成空间三维纤维连接。
优选地，如图1-2所示，每个连接单元有四束纤维，前后走向的两束纤维是编织的径向纤维，左右走向的两束是纬向纤维，连接单元的一束纤维与其相邻的连接单元的对应纤维束连接，形成整体平面交错结构。具体地，在一个连接单元中，以纬向纤维为例，一纤维束从下纤维层引出后，自左向右向上延伸插入上纤维层；在所述连接单元的右侧相邻连接单元中，所述纤维束从上纤维层引出，自左向右向下延伸插入下纤维层。同一纤维束在上纤维层与下纤维层之间编织穿插，使同一根纤维形成多个相邻连接单元的纬向纤维或经向纤维。
优选地，通过改变纬向纤维前后交错相切纤维铺排距离可实现具体纤维连接结构的变化，两纤维铺排距离为0～8mm，如所述铺排距离为4mm。同样，所述经向纤维也具有类似的结构，即所述经向纤维由编织方向相反的经向纤维组成，相邻经向纤维的铺排距离为0～8mm。需要说明的是，本发明所述铺排距离是指所述两相邻经向纤维或纬向纤维所在平面之间的距离。
如图6、7所示，前后交错纤维铺排距离为4mm的纤维连接结构的纤维材料，通过改变纬向纤维在前后方向上交错纤维铺排距离可实现具体纤维连接结构的变化。前后交错相切铺排纬向纤维由两个结构相同，方向相反的铺层纤维编织而成，不同颜色代表两个铺排纤维编织方向。
优选地，所述纤维材料的总厚度为25mm～35mm，通过改变纤维钝角连接角度(过渡段纤维与上、下纤维层在连接处的夹角)、竖直段纤维31长度、上纤维层1和下纤维层2的厚度实现三明治夹层结构的总厚度的变化。优选地，所述上纤维层1和所述下纤维层2的厚度为2～5mm，所述纬向纤维和经向纤维的长度为10～20mm。其中，所述纬向纤维的长度和经向纤维的长度是指所述纬向纤维和经向纤维中的竖直段纤维31长度与过渡段纤维32长度之和。
优选地，所述竖直段纤维的长度为0～8mm。所述竖直段纤维与上纤维层和下纤维层的夹角为90度，即垂直于上纤维层和下纤维层(所述竖直段纤维并没有与上纤维层和下纤维层连接)。特殊地，如图3所示，所述纬向纤维和经向纤维中的竖直段纤维的长度等于0，即上过渡段纤维与下过渡段纤维直接连接。
如图8、9所示，所述纤维材料为前后交错双纬向纤维铺排结构的纤维材料，通过改变纬向或经向纤维铺排个数实现具体纤维连接结构的变化，优选的纤维铺排个数为1～6。
进一步地，本发明还提供一种纤维复合材料的制备方法，包括：
将纤维编织成如上所述的具有三明治夹层结构的纤维材料；
将所述具有三明治夹层结构的纤维材料浸润树脂，固化处理后得到纤维复合材料。
本发明所述纤维复合材料是一种具有轻质、高抗拉强度、抗剥离特性的复合材料，具有成本较低、开发工艺简单、应用较为广泛等优点。
优选地，所述将纤维编织成如上所述的具有三明治夹层结构的纤维材料包括步骤：按照预设纤维材料的结构进行同向纤维束铺排，顺序编织；按照预设纤维材料的结构将纤维束正交平纹编织成上纤维层、下纤维层与中纤维层，其中，过渡段纤维与所述上纤维层、所述下纤维层在连接处的夹角为钝角。所述预设纤维材料的结构指本发明如上任一所述纤维材料的结构。
所述将所述具有三明治夹层结构的纤维材料浸润树脂，固化处理后得到纤维复合材料包括步骤：将具有三明治夹层结构的纤维材料浸润树脂，使纤维材料各部分纤维结构被树脂完全包裹；进行加温固化处理后，制成相应的纤维复合材料。
优选地，所述的纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、凯夫拉纤维、麻纤维、木纤维中的一种。所述树脂为热固性树脂或热塑性树脂，所述树脂优选具有良好应变的树脂。
优选地，所述纤维复合材料中，纤维的重量百分比为40％～70％，保证所述纤维复合材料的强度。
优选地，所述固化处理所采用的固化剂为聚醚胺或异佛尔酮。本发明通过添加固化剂实现树脂快速固化。
本发明是基于生物体内部纤维排布结构所具有轻质、高强、抗剥离的特性，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、抗剥离的要求进行纤维种类、排布、连接角度等参数的优选，制备出轻量、抗剥离结构的复合纤维材料。
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 (7)

1.一种纤维材料，其特征在于，包括：上纤维层、下纤维层、连接所述上纤维层与下纤维层的中纤维层；
其中，所述中纤维层由纬向纤维和经向纤维组成；
所述纬向纤维和所述经向纤维均由竖直段纤维和连接在所述竖直段纤维两端的过渡段纤维组成；
所述过渡段纤维与所述上纤维层和所述下纤维层在连接处的夹角均为钝角；
所述过渡段纤维与所述上纤维层在连接处的夹角为150°～170°；
所述过渡段纤维与所述下纤维层在连接处的夹角为150°～170°；
所述竖直段纤维的长度为8mm；
所述纬向纤维和经向纤维中的竖直段纤维长度与过渡段纤维长度之和均为10～20mm；
所述竖直段纤维垂直于所述上纤维层和所述下纤维层；
所述中纤维层由多个呈点阵排布的连接单元构成；
所述连接单元中包括第一纬向纤维、位于所述第一纬向纤维后方的第二纬向纤维，第一经向纤维和位于所述第一经向纤维右侧的第二经向纤维；
所述纤维材料用于制备纤维复合材料；
所述上纤维层的厚度为2～5mm；所述下纤维层的厚度为2～5mm；
所述纤维复合材料通过如下方法制备得到：
将所述纤维材料浸润树脂，固化处理后得到纤维复合材料。
2.根据权利要求1所述的纤维材料，其特征在于，
所述中纤维层中的所述纬向纤维在前后方向上交错铺排；
所述中纤维层中的所述经向纤维在左右方向上交错铺排。
3.根据权利要求1所述的纤维材料，其特征在于，
左右相邻的两个所述连接单元中的两条第一纬向纤维为同一纤维束；
左右相邻的两个所述连接单元中的两条第二纬向纤维为同一纤维束；
前后相邻的两个所述连接单元中的两条第一经向纤维为同一纤维束；
前后相邻的两个所述连接单元中的两条第二经向纤维为同一纤维束。
4.一种纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
将纤维编织成如权利要求1-3任一所述的纤维材料；
将所述纤维材料浸润树脂，固化处理后得到纤维复合材料。
5.根据权利要求4所述的纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述的纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、凯夫拉纤维、麻纤维、木纤维中的一种。
6.根据权利要求4所述的纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述纤维复合材料中，纤维的重量百分比为40％～70％。
7.根据权利要求4所述的纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述固化处理所采用的固化剂为聚醚胺或异佛尔酮。
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