CN110869208A - 利用贝壳的中间碎片制造轻质高强度材料的方法 - Google Patents

利用贝壳的中间碎片制造轻质高强度材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及利用贝壳的碎片制造轻质高强度材料的方法及轻质高强度材料。本发明从贝壳回收碎片并利用粘合剂将碎片层压和排列成规则的状态，从而制造质量轻且机械性优良的材料。根据本发明，通过利用废弃的贝壳，能够实现降低费用并解决环境问题的效果。

Description

利用贝壳的中间碎片制造轻质高强度材料的方法
技术领域
本发明涉及利用贝壳的中间碎片制造轻质高强度材料的方法，更具体地，涉及从贝壳分离贝壳的碎片并使用粘合剂对碎片进行层压和重新排列。
背景技术
汽车、航空航天领域、电子通信领域、军需领域等大部分的领域需要质量轻且硬度高的材料。尤其在军需领域需要质量轻且机械性优良的防弹材料，目前通用的碳化硼(boron carbide)、碳化硅(silicon carbide)等由于价格高而并没有起到有效作用。虽然还有很多种人工材料，但还可以从天然物质中寻找具有与之相似性质且具有更优良的物理特性的材料。
作为其中之一的贝壳是指代贝类的外壳的术语，在考虑到重量与厚度的情况下，经过数亿年进化的贝类的贝壳具有非常优良的机械性。例如贝壳的比重为～2.6，与碳化硼(boron carbide)相似，但比碳化硅(silicon carbide)、氮化铝(aluminum nitride)的质量轻。
由于贝壳的剖面结构具有类似于将0.5μm左右的非常薄的砖块一样的细微碎片层压数千层的砖块与灰浆(brick and mortar)的结构，因而物理特性优良。从外部施力时裂缝(crack)从细微碎片之间扩张，但由于贝壳具有能够吸收外力与能量的特异结构，因而裂缝无法继续扩张而是在中间停止。然而，目前还难以实际摹制和重现贝壳天然的砖块与灰浆(brick and mortar)结构。这是由于难以人工层压数千层的细微碎片。
另外，近年来丢弃在大海沿岸的贝壳达到每年50万吨，引发严重的水质污染和环境污染。贝壳是利用价值很高的天然材料，有必要通过积极利用来防止环境污染。
发明内容
发明要解決的问题
本发明的目的是利用作为天然废弃资源的贝壳制造轻质且机械性优良的材料。
用于解决问题的手段
为了达到上述目的，本发明的一个方面提供了一种轻质高强度材料的制造方法，包括：从贝壳分离贝壳的中间碎片的步骤；以及对从贝壳分离的所述中间碎片进行层压和重新排列的步骤。
优选地，所述层压和重新排列的结构为层次(hierarchy)结构。
优选地，利用粘合剂实现所述层压和重新排列。粘合剂是环氧树脂或聚氨酯系列的粘合剂。向所述粘合剂中混合玻璃或碳制成的纤维粉碎物，或者一次性制成玻璃纤维形态或碳纤维形态的预浸渍料(prepreg)。
并且，本发明的另一方面提供了一种通过所述制造方法制造的轻质高强度材料。
发明效果
根据如上所述的本发明，从贝壳分离出贝壳的中间碎片并对其进行层压和重新排列，从而制造出轻质高强度的材料以应用到多种领域，同时还具有能够解决环境问题的效果。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施方式制作中间碎片的概念的图；
图2是示出如图1制作的中间碎片被交叉层压后的剖面的概念图；
图3示出了根据本发明的实施方式的从贝壳切割的两种中间碎片及层压了中间碎片的最终板材；
图4示出了根据本发明的实施方式制造的交叉层压后的最终板材；
图5示出了对根据本发明的实施方式层压中间碎片而制造的板材进行三点弯曲测试(3-point bend test)的实验结果的曲线图；
图6示出了对根据本发明的实施方式的碳纤维增强板材进行三点弯曲测试的实验结果的曲线图。
具体实施方式
以下参照附图具体说明本发明的多种实施方式。
在本说明书中，“贝壳”是指代贝类的外壳的术语，所述贝类是属于贝纲的软体动物的统称。代表性的贝类有牡蛎、文蛤、花蛤、赤贝、鲍鱼等。已知经过数亿年这些贝壳的内部结构已进化为由细微碎片构成的砖块加灰浆型结构，并且发现其断裂韧性(fracturetoughness)强于重量的3000倍。在本实施例中，为了利用这种特征而使用了贝壳，并且由于能够使用丢弃于海岸的贝壳，因而同时还起到解决环境问题的效果。
贝壳中的细微碎片以砖块加灰浆型(brick and mortar)结构排列，该结构使得贝壳具有很强的机械性。但由于很难通过人工形成这种结构，因而可以考虑分离作为贝壳的一部分的中间碎片(meso plate)并对其进行层压的方法，其中，贝壳由细微碎片很好地排列而成。
贝壳的成分全部都是碳酸钙，但外部通常是高硬度的方解石(calcite)结构，内部通常是硬度相对较低的霰石(aragonite)结构。方解石是属于六方晶系的无水碳酸盐矿物，由于晶体明显且形态多样，因而能够制造出外观优美的板材。霰石是属于四方晶系的矿物，具有与橄榄石相同的晶体结构，虽然和方解石等的矿物相似，但由于其晶系不同，因而比方解石更坚固且比重也更大。
因此，在利用贝壳制造材料时，可以根据最终需要的材料的物理特性或用途将方解石(calcite)部分和霰石(aragonite)部分分别切割或剥离后使用，或者调节厚度、大小、形状等而适当地混合制造。
图1是示出根据本发明的实施方式制作中间碎片的概念的图。通过包括对贝壳进行切割、研磨在内的多种方法，制作具有所需尺寸及所需厚度的中间碎片。中间碎片的材料还可以是包括贝壳在内的具有与贝壳类似结构和形状的自然材料或人工材料。通过对这种中间碎片材料进行交叉层压，从而可以提高或调整最终的物理特性。
图2是示出根据本发明的实施方式制作的中间碎片被交叉层压后的局部剖面的概念图。图2示出了最终三维材料的一部分，但最终三维材料也可以不是如图2所示的平面。可利用该概念制造具有多种形态、大小及物理特性的三维材料。
图2的a示出了交叉层压平整的中间碎片的情况。图2的b示出了交叉层压并加工成保持预定曲面的中间碎片的情况。中间碎片之间的空间被粘合剂填充。如图2的a所示，中间碎片可以是平面，如图2的b所示，中间碎片也可以是包括曲面在内的多种形状，以调整各种物理特性，如图2的c所示，中间碎片也可以是包括曲面在内的多种形状。最终材料可以不是一体的，而是由具有多种大小与厚度的中间碎片组合或混合层压而成，因此不仅可以制造最终形状为平板的三维构造物，也可以制造具有任意形态的三维构造物。根据中间碎片的形状、大小和厚度，层压的方法包括表面贴装法(surface mounting technology)、3D打印(3D printing)以及笔描(pen writing)等的方法。为了赋予任意的三维形状，可以采用如下方法：在具有任意形状的模具表面层压组装中间碎片从而制造具有最终任意三维形状的构造物，或者在将中间碎片制成任意形状后，使用具有最终形状的模具施加压力或者施加压力和热等制造具有任意最终三维形状的构造物。
图3示出了根据本发明的实施方式的从贝壳切割的两种中间碎片和层压了中间碎片的最终板材。图3的a是切成几厘米大小的中间碎片，图3的b是切成几毫米大小并研磨成很薄的中间碎片，图3的c是交叉层压了图3的b的中间碎片的板材。板材只是一种实施例而已，还可以制造包括板材在内的具有任意三维形态的最终构造物。
图4示出了根据本发明的实施方式的交叉层压后的最终板材。图4的a是层压了几毫米大小的中间碎片的板材，图4的b是层压了几厘米大小的薄的中间碎片的板材，图4的c是未对几厘米大小的中间碎片进行研磨而直接对其进行层压的板材。
重新排列这些中间碎片的结构使得中间碎片在受到冲击时裂缝不再扩张，从而增大机械强度。该结构可以是模仿了层次结构(hierarchy structure)的形态。
图5示出了对通过层压中间碎片而制造的板材进行三点弯曲测试(3-point bendtest)的实验结果的曲线图，其中，根据本发明的实施方式制造的板材按照规格制成测试试片，通过对各测试试片的中间部分施力使得各测试试片弯曲(bending)。X轴是施力时各测试试片增加的长度与各测试试片原来长度的比率，y轴表示各测试试片受到的力。曲线的斜率相当于杨氏模量(Young's modulus)，其表示为了使各测试试片增加一定的长度所需的力。图5的a示出了测试试片厚度为3mm时的结果，图5的b示出了测试试片厚度为1mm时的结果，在图5的a中，五条线表示使用环氧树脂层压中间碎片的结果，下面的三条线表示未添加贝壳的环氧树脂的结果。根据该结果可知，在层压并排列中间碎片后使用环氧树脂进行粘贴的情况下，强度大幅上升。该曲线图仅用于示出实施例中的测试试片的强度，但不限于此。
使用环氧树脂、胶等的聚氨酯系列的粘合剂使中间碎片接触，但粘合剂不限于此。并且，可以根据所需的最终物理特性来调整用量、厚度、压接或辊压(rolling)压力、固化(curing)等后处理，粘贴方法可以采用使用粘合剂、施加压力以及加热至适当温度的方法中的至少一种。
图6的曲线示出了根据本发明的实施例使用中间碎片制造多个平板(plate)，并在这些平板(plate)之间插入碳纤维预浸渍料后利用环氧树脂粘贴制成的测试试片的三点弯曲测试(3-point bend test)结果。未添加碳纤维预浸渍料的一般测试试片的厚度为4mm，添加了碳纤维预浸渍料的碳纤维(CF)增强测试试片的厚度为4.4mm。不论是否使用碳纤维进行增强，其强度都与杨氏模量(Young's modulus)相似，但碳纤维增强的测试试片的挠曲应变(flexure strain)大幅增大。该结果旨在示出可将多种应用技术应用于本发明公开的技术，并且不限于此。
在此，将碳纤维预浸渍料插入至本实施例的由中间碎片制成的平板(plate)之间，但是也可以通过向环氧树脂等的粘合剂混合玻璃或碳等的纤维粉碎物的方式获得改变机械性的效果。
实施例1：分离贝壳的中间碎片
从贝类贝壳切割下中间碎片(例:1cm×1cm×0.1cm)。这种碎片由约一亿个细微碎片(例:10μm×10μm×0.5μm)以砖块状层压而成，因而机械性优良。
实施例2：制造平板
制造大小均匀的中间碎片并利用作为粘合剂的环氧树脂以砖块状层压该中间碎片，从而制造平板(例：10cm×10cm×1cm)。
实施例3：制造纤维增强平板
制造大小均匀的中间碎片并利用作为粘合剂的环氧树脂以砖块状层压该中间碎片而制造板材(10cm×10cm×0.1cm)后，在这些平板(plate)之间插入碳纤维预浸渍料并使用环氧树脂进行粘贴，从而制造纤维增强平板(10cm×10cm×1cm)。
以上对本发明的实施例进行了具体说明，但对于本领域普通技术人员来讲这些具体说明只是优选实施方式而已，应明确本发明的范围不受此限制。因此本发明的实质性范围取决于所附权利要求及其等同物。

Claims (10)

1.一种轻质高强度材料的制造方法，其特征在于，包括：
从贝壳分离贝壳的中间碎片的步骤；以及
对从贝壳分离的所述中间碎片进行层压和重新排列的步骤。
2.根据权利要求1所述的轻质高强度材料的制造方法，其特征在于，
所述层压和重新排列的结构为层次结构。
3.根据权利要求1所述的轻质高强度材料的制造方法，其特征在于，
所述层压和重新排列为利用粘合剂对从贝壳分离的所述中间碎片进行粘贴。
4.根据权利要求1所述的轻质高强度材料的制造方法，其特征在于，
通过表面贴装法或3D打印执行层压和重新排列所述中间碎片的步骤。
5.根据权利要求3所述的轻质高强度材料的制造方法，其特征在于，
所述粘合剂为环氧树脂或聚氨酯系列粘合剂。
6.根据权利要求5所述的轻质高强度材料的制造方法，其特征在于，
向所述粘合剂中混合玻璃或碳制成的纤维粉碎物。
7.根据权利要求1所述的轻质高强度材料的制造方法，其特征在于，
所述层压和重新排列使用玻璃或碳的纤维与粘合剂制成的预浸渍料。
8.根据权利要求1所述的轻质高强度材料的制造方法，其特征在于，
在所述层压和重新排列的步骤中，通过加热或加压来调整最终材料的形状或物理特性。
9.根据权利要求8所述的轻质高强度材料的制造方法，其特征在于，
在所述层压和重新排列的步骤中，在最终材料制成后，通过进一步加热或加压来调整在制造最终材料的过程中产生的应力，从而调整最终材料的最终物理特性。
10.一种轻质高强度材料，其特征在于，
通过权利要求1至9中任一项所述的制造方法制造所述轻质高强度材料。
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