CN111016318A - 抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具备显著负泊松比效应的抗爆抗冲击梯度复合阻尼材料及其制备方法。所述抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，由至少一个内表粘弹层‑内部刚性层‑中间弹性层‑外表高强层的层状单元结构组成。所述复合阻尼材料的相邻两层之间均设置界面连接层。所述中间弹性层包括基体材料以及设置在基体材料中的具有负泊松比效应的多级异质纤维预制体。所述多级异质纤维预制体由若干根多级异质纤维经纬平织而成。本发明所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，不但大幅度提高了对冲击破坏的抵抗能力，并且能够吸收高的冲击能量，避免碰撞冲击过程中刚性的冲击力对内部人员造成伤害，从而实现对人身安全最大限度的保护，具有重要的社会意义。

Description

抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料及其制备方法
技术领域
本发明属于防灾减灾与防护工程材料领域，涉及抗爆抗冲击材料，具体地说，涉及一种抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料及其制备方法。所述抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料可应用于动车撞击、舰船车撞击、飞机撞击、弹道侵彻、常规武器爆炸、燃气爆炸、地下综合管廊燃气爆炸等建筑以及交通工程防护等领域。
背景技术
近年来，国内外爆炸、高速撞击事故频繁发生，对建筑物乃至人的生命财产等造成严重的威胁。这主要是由于爆炸事故或撞击事故发生时间短，遭受冲击载荷非常大，且变化时间非常快，难以做出有效的应对措施以降低伤害。基于此，目前相关领域对防护材料的性能要求也越来越高。具体来说，在动车撞击、地下综合管廊燃气爆炸、飞机撞击、弹道侵彻、常规武器爆炸、燃气爆炸、交通工程等领域中，单一的均质材料不但比较重、使用不便，而且无法解决高强度与高韧性之间的矛盾，早已不能满足人们的需求。陶瓷材料具有高硬度、高强度、高耐压强度和耐高温的性能，金属具有高韧性和高塑性的性能，因此，纤维增强复合材料在单位重量或面密度下具有高的冲击能吸收能力。
发明专利ZL200610113399.X公开了“纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料防护板”。该发明提供了一种纤维增强的金属/陶瓷层状复合材料防护板，所述防护板具有至少一个金属层/纤维层/陶瓷层三明治结构，所述三明治结构是在高温下，通过活性铸接工艺、粉末烧结工艺或活性金属钎焊工艺将金属层、纤维层和陶瓷层焊接在一起。该防护板硬度高，抗撕裂能力好，而且韧性好、重量轻，具有较好的防护高速弹丸打击的能力，可广泛应用在防弹衣、装甲车辆和需要装甲防护的飞行器上。但该专利所述的复合材料防护板仍然存在以下问题：(1)三明治结构的相邻两层之间参数相差较大，容易导致在受到高速冲击载荷作用时，因层间连接不紧密且结合强度低而出现分层现象，导致抗冲击能力不能很好实现。(2)各层的性能仍然不足以实现冲击能量的大幅吸收，在高速弹丸或爆炸冲击波的作用下，吸收强动载能量的效果不理想。
发明内容
针对现有技术中抗爆抗冲击复合材料所存在的问题，本发明提供了一种具备显著负泊松比效应的抗爆抗冲击梯度复合阻尼材料及其制备方法，通过负泊松比梯度式设计大幅提高其抗爆抗冲击能力。
本发明的技术方案：
抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，由至少一个内表粘弹层-内部刚性层-中间弹性层-外表高强层的层状单元结构组成。所述复合阻尼材料的相邻两层之间均设置界面连接层，所述界面连接层为添加偶联剂的酚醛树脂、双酚A型环氧树脂、有机硅树脂、醇酸树脂、聚酯树脂中的一种或几种。所述中间弹性层包括基体材料以及设置在基体材料中的具有负泊松比效应的多级异质纤维预制体。所述基体材料为添加增韧剂的环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、有机硅树脂、聚氨酯、聚脲中的一种或几种。所述具有负泊松比效应的多级异质纤维预制体为1-4层，相邻所述多级异质纤维预制体的层间距为2mm-20mm。
所述多级异质纤维预制体由若干根多级异质纤维经纬平织而成。所述多级异质纤维由多级辅纤维在芯纤维上缠绕而成。所述芯纤维为低模量纤维，所述多级辅纤维为不同弹性模量的高模量纤维。相邻所述多级异质纤维的芯纤维之间的距离为2mm-50mm。所述低模量纤维的弹性模量为50MPa-50GPa；所述高模量纤维的弹性模量为≥50GPa。所述辅纤维分级缠绕在芯纤维上；所述多级辅纤维中的一级辅纤维弹性模量为50GPa-90GPa；第N级辅纤维与第N-1级辅纤维的弹性模量比为1.1-9.6，N＝2-7；所述芯纤维与一级辅纤维的直径比为1.5-3.0，芯纤维与第N级辅纤维的直径比为2.5-15.0，第N级辅纤维与第N-1级辅纤维的直径比为0.5-0.9，N为2-7；所述第一级辅纤维螺旋角度为2°-8°，第N级辅纤维的螺旋角度较第N-1级辅纤维增加3°-15°，第N级辅纤维螺旋角度为5-60°，N为2-7。所述辅纤维采用螺旋角与弹性模量均呈梯度分布的多级高模量纤维，具有优良的耐久性和高抗拉强度，能够在微裂纹产生时抑制裂缝的扩展，促进基体材料内应力的均匀分布，从而提高中间弹性层的抗压强度和抗冲击性。而作为芯纤维的低模量纤维，其柔韧性可以提高纤维网织物结构及基体材料的抗拉、抗弯、抗剪性能，并在宏观裂缝产生时充分发挥作用避免基体材料的快速损伤。当多级异质纤维预制体受到非平行外力冲击作用时，由于预制体中各级辅纤维的弹性模量较高且断裂伸长率较低，故趋向为伸直状态；而芯纤维则由于弹性模量较低且伸长率较大变，从而趋向为螺旋状态。其中，芯纤维的直径大于辅纤维直径，在应力作用下螺旋纤维结构表现为在横向方向变宽，而纤维预制体则表现为网格经纬向孔隙缩小，当中间弹性体产生裂缝时，不但保持了中间弹性体的完整性，也提高复合阻尼材料整体的抗撕裂与抗强动载等力学性能。
优选的是，第N级辅纤维与第N-1级辅纤维的弹性模量比为1.1-7.5，N为2-7；所述芯纤维与一级辅纤维的直径比为1.5-2.5，芯纤维与第N级辅纤维的直径比为2.5-10.0，第N级辅纤维螺旋角度为10-60°，N为2-7。
其中，所述低模量纤维为聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、聚氯乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、聚酰亚胺纤维、聚酯纤维、聚氨酯纤维、纤维素纤维、聚四氟乙烯纤维和聚苯硫醚纤维中的一种或多种；所述高模量纤维为芳纶纤维、聚苯并咪唑纤维、聚苯并二恶唑纤维、聚芳酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、钢纤维、连续玄武岩纤维、碳化硅纤维、氧化镁纤维、氧化铝纤维、二氧化硅纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、石墨烯纤维和硼纤维中的一种或多种。
所述内表粘弹层为添加增韧剂的环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、有机硅树脂、聚氨酯、聚脲中的一种或几种。
所述内部刚性层为弹性模量220GPa-460GPa的陶瓷材料，具体为碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼、氮化铝、氧化铝和氧化锆陶瓷中的一种或几种。
所述外表高强层是具备多个内凹孔结构的金属层。所述内凹孔由两个中心对称的正六面梯台结构组成，所述内凹孔的上、下两端为正六面梯台的底部，两个所述正六面梯台的顶部相连。所述两个正六面梯台顶部相连处凹角α为120度；所述正六面梯台底部六边形的边长为a，所述正六面梯台顶部六边形的边长d为0.3a-0.7a，所述内凹孔的高度h为a-2.4a；单个所述内凹孔的体积为100-1000mm3。所述金属为铝、镍、镁、钛及其合金中的一种或几种。内凹孔结构的设计，极大程度上提高了金属的储能模量，从而大幅提升了其抵抗并吸收爆炸载荷能量的能力。
所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)内表粘弹层的制备：将固化剂和增韧剂加入到基体材料中，固化剂和基体材料的质量比为1.0:0.8-1.0:1.2，增韧剂的量为基体材料质量的5.0％-10.0％，加热至50℃-80℃，直至固化完成得到粘弹层。所述固化剂为聚酰胺、聚酯树脂、二元醇、多元醇、芳族胺类、脂肪族胺类固化剂中的一种或多种；所述增韧剂为羧基丁腈橡胶、聚乙烯醇缩丁醛、聚醚砜、聚苯醚酮中的一种或多种。
(2)内部刚性层的加工制备：对陶瓷表面进行提高粗糙度处理，采用激光蚀刻技术以高能量的激光照射陶瓷使表面产生熔化和重淬火，从而形成散布的小凹坑，以增加陶瓷的粘接面积和机械嵌合力，粗糙度保持在Ra0.005-Ra0.015。
(3)中间弹性层的制备：
(a)一级异质纤维胚结构的加工制备：按照所述一级结构的螺旋角度，将所述作为一级辅纤维的高模量纤维缠绕在作为芯纤维的低模量纤维上，制备得到一级异质纤维胚结构。
(b)一级异质纤维胚结构的固化处理：将偶联剂、固化剂和增韧剂分别加入到中间弹性层的基体材料中充分搅拌，其中偶联剂的量为基体材料质量的0.1％-5.0％，所述固化剂与基体材料的质量比为1.0:0.8-1.0:1.2，增韧剂的量为基体材料质量的5.0％-10.0％；然后将步骤(a)制备的一级异质纤维胚结构浸入其中，加热至50℃-80℃，使一级异质纤维胚结构充分浸渍后提拉出固化体系，静置，直至固化完成，得到一级异质纤维结构。所述偶联剂为钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、双金属偶联剂和硅烷偶联剂中的一种或多种；所述固化剂为聚酰胺、聚酯树脂、二元醇、多元醇、芳族胺类、脂肪族胺类固化剂中的一种或多种；所述增韧剂为羧基丁腈橡胶、聚乙烯醇缩丁醛、聚醚砜、聚苯醚酮中的一种或多种。
(c)N级异质纤维结构的加工制备：将步骤(b)所得的异质纤维作为一级结构，按照所述N级结构的螺旋角度，重复步骤(a)和步骤(b)，得到N级异质纤维结构，N为2-7。
(d)多级异质纤维预制体的编织制备：将所得N级异质纤维，按照经纬方向，通过经纬平织方法，编织成为经纬平织结构，然后将步骤(b)所述固化体系充分涂覆在经纬平织结构的所有经纬交接点，静置，直至完成固化，得到N级异质纤维预制体，N为2-7。
(e)中间弹性层的制备：将质量分数为0.2％-2.0％的羟基化石墨烯加入到基体材料中，超声分散使其充分分散，获得改性基体，备用；在内部刚性层表面铺设一层多级异质纤维预制体，然后灌装、涂抹或喷涂上述改性基体2mm-20mm，固化；重复上述步骤0-3次，即可得到中间弹性层。
(4)外表高强层的加工制备：采用选择性激光烧结法，利用UG软件构建内凹孔金属三维模型，模型转换STL格式后输入到激光粉末烧结快速成型系统中，烧结成型得到具备内凹孔结构的金属层。
(5)将内表粘弹层-界面连接层-内部刚性层-界面连接层-中间弹性层-界面连接层-外表高强层按照从下往上的顺序叠层放置，采用真空热压扩散结合法,将铺层好的材料放入热压炉的热压模具内进行3级抽真空，真空度抽取完成后，进行150℃-220℃加热，使聚合物均匀浸渗到气孔及纤维里；温度达到后进行均匀加压及保压20min-30min(1～5MPa)；保证高分子连接层充分渗透进内凹金属的多孔结构内，形成梯度连接；热压成型完毕，降温冷却，即得到抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料。
本发明的有益效果：
(1)与现有技术相比，本发明所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，不但大幅度提高了对冲击破坏的抵抗能力，并且能够吸收高的冲击能量，避免碰撞冲击过程中刚性的冲击力对内部人员造成伤害，从而实现对人身安全最大限度的保护，具有重要的社会意义。
(2)本发明所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，外表高强层采具有内凹孔结构的金属，中间弹性层采用具备负泊松比效应的多级异质纤维预制体；内表粘弹层则采用粘弹型高分子材料；而且设置了界面连接层，并结合化学工艺实现了各层间的梯度连接，从而大大提高了其抗爆抗冲击性能。
(3)与现有技术相比，本发明所述的抗爆抗冲击复合材料还增设了内部刚性层，陶瓷材料与纤维层的复合，既保留了陶瓷本身的高硬度、高刚度以及高弹性模量，又克服了陶瓷材料的脆性；当冲击载荷到达陶瓷层时可以有效降低冲击载荷的持续冲击作用，相比于相同金属/混杂纤维增强弹性层/陶瓷复合材料的抗冲击性能可以提高268.3％，实现抗冲击性能的大幅度提升。
(4)本发明所述的复合材料制备方法中，将偶联剂加入树脂中，改善了纤维与纤维、纤维与金属、陶瓷的界面结构，增强各类界面间的结合力，使界面粘结强度等力学性能得到提高；同时，增韧剂的添加降低树脂分子间作用力，改善树脂的刚性并增加其韧性，从而在提高了树脂抗冲击性能的同时，还确保纤维层具备一定的弹性。
附图说明
附图1为三级异质纤维结构示意图，其中：a为芯纤维，b1为一级辅纤维，b2为二级辅纤维，b3为三级辅纤维，θ为辅纤维与芯纤维间螺旋角度，D为芯纤维直径，d为辅纤维直径。
附图2为三级异质纤维受力变形示意图，其中：A1为自由初始状态三级异质纤维主视图，A2为自由初始状态三级异质纤维径向剖面图，B1为最大应力状态三级异质纤维主视图，B2为最大应力状态三级异质纤维径向剖面图。
附图3为多级异质纤维预制体中纤维经纬平织结构示意图，其中，x、y为多级异质纤维的芯纤维之间的距离。
附图4为内凹孔的结构示意图，a为正六面梯台底部六边形边长，d为正六面梯台顶部六边形边长，h为空胞体高度，c为正六棱锥高度，α为两个正六面梯台顶部相连处的凹角。
附图5a为负泊松比梯度复合阻尼材料的结构示意图，图b为图5a的剖面部分放大图；其中：1为内凹孔金属层(外表高强层)，2为负泊松比多级异质纤维预制体复合体(中间弹性层)，3为陶瓷层(内部刚性层)，4为粘弹层(内表粘弹层)，箭头为冲击载荷的方向。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1：
抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，由内表粘弹层-内部刚性层-中间弹性层-外表高强层的层状单元结构组成。所述复合阻尼材料的相邻两层之间均设置界面连接层，所述界面连接层为添加偶联剂的酚醛树脂。
所述内表粘弹层为添加增韧剂的环氧树脂。
所述内部刚性层为碳化硅陶瓷。
所述中间弹性层包括基体材料以及设置在基体材料中的具有负泊松比效应的二级异质纤维预制体。所述基体材料为添加增韧剂的酚醛树脂。所述具有负泊松比效应的二级异质纤维预制体为2层，相邻所述二级异质纤维预制体的层间距为15mm。具备负泊松比效应的二级异质纤维预制体，由若干根二级异质纤维经纬平织而成。所述二级异质纤维由多级辅纤维在芯纤维上缠绕而成；所述芯纤维为聚酯纤维；聚酯纤维直径为450μm的纤维束，断裂伸长率为18％，弹性模量为13.5GPa，密度为1.38g/cm3，有优异的耐酸碱性。所述一级辅纤维是芳纶纤维，弹性模量为50GPa，直径为150μm，螺旋角为8°；所述第二级辅纤维是硅酸铝纤维，弹性模量为480GPa，直径为75μm，螺旋角为20°。相邻所述二级异质纤维的芯纤维之间的距离为15mm。
所述外表高强层是具备多个内凹孔结构的金属层。所述内凹孔由两个中心对称的正六面梯台结构组成，所述内凹孔的上、下两端为正六面梯台的底部，两个所述正六面梯台的顶部相连。所述两个正六面梯台顶部相连处凹角α为120度；所述正六面梯台底部六边形的边长为a(a＝2.7mm)，所述正六面梯台顶部六边形的边长d为0.7a，所述内凹孔的高度h为a；单个内凹孔的体积为103mm3；所述金属为铝合金。
所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)内表粘弹层的制备：将固化剂和增韧剂加入到基体材料中，固化剂和基体材料的质量比为1.0:0.8，增韧剂的量为基体材料质量的5.0％，加热至50℃，直至固化完成得到粘弹层。所述固化剂为聚酰胺；所述增韧剂为羧基丁腈橡胶。
(2)内部刚性层的加工制备：对陶瓷表面进行提高粗糙度处理，采用激光蚀刻技术以高能量的激光照射陶瓷使表面产生熔化和重淬火，从而形成散布的小凹坑，以增加陶瓷的粘接面积和机械嵌合力，粗糙度保持在Ra0.005。
(3)中间弹性层的制备：
(a)一级异质纤维胚结构的加工制备：按照所述一级结构的螺旋角度，将所述作为一级辅纤维的高模量纤维缠绕在作为芯纤维的低模量纤维上，制备得到一级异质纤维胚结构。
(b)一级异质纤维胚结构的固化处理：将偶联剂、固化剂和增韧剂分别加入到中间弹性层的基体材料中充分搅拌，其中偶联剂的量为基体材料质量的1.0％，所述固化剂与基体材料的质量比为1.0:0.8，增韧剂的量为基体材料质量的5.0％；然后将步骤(a)制备的一级异质纤维胚结构浸入其中，加热至50℃，使一级异质纤维胚结构充分浸渍后提拉出固化体系，静置，直至固化完成，得到一级异质纤维结构。所述偶联剂为钛酸酯偶联剂；所述固化剂为聚酰胺；所述增韧剂为羧基丁腈橡胶。
(c)二级异质纤维结构的加工制备：将步骤(b)所得的异质纤维作为一级结构，按照所述二级结构的螺旋角度，重复步骤(a)和步骤(b)，得到二级异质纤维结构。
(d)多级异质纤维预制体的编织制备：将所得二级异质纤维，按照经纬方向，通过经纬平织方法，编织成为经纬平织结构，然后将步骤(b)所述固化体系充分涂覆在经纬平织结构的所有经纬交接点，静置，直至完成固化，得到二级异质纤维预制体。
(e)中间弹性层的制备：将质量分数为0.4％的羟基化石墨烯加入到基体材料中，超声分散使其充分分散，获得改性基体，备用；在内部刚性层表面铺设一层多级异质纤维预制体，然后灌装、涂抹或喷涂上述改性基体20mm，固化；重复上述步骤1次，即可得到中间弹性层。
(4)外表高强层的加工制备：采用选择性激光烧结法，利用UG软件构建内凹孔金属三维模型，模型转换STL格式后输入到激光粉末烧结快速成型系统中，烧结成型得到具备内凹孔结构的金属层。
(5)将内表粘弹层-界面连接层-内部刚性层-界面连接层-中间弹性层-界面连接层-外表高强层按照从下往上的顺序叠层放置，采用真空热压扩散结合法,将铺层好的材料放入热压炉的热压模具内进行3级抽真空，真空度抽取完成后，进行150℃加热；温度达到后进行均匀加压及保压20min(1MPa)；热压成型完毕，降温冷却，即得到抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料。
实施例2：
抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，由内表粘弹层-内部刚性层-中间弹性层-外表高强层的层状单元结构组成。所述复合阻尼材料的相邻两层之间均设置界面连接层，所述界面连接层为添加偶联剂的双酚A型环氧树脂。
所述内表粘弹层为添加增韧剂的酚醛树脂。
所述内部刚性层为碳化硼陶瓷。
所述中间弹性层包括基体材料以及设置在基体材料中的具有负泊松比效应的三级异质纤维预制体。所述基体材料为添加增韧剂的环氧树脂。所述具有负泊松比效应的三级异质纤维预制体为3层，相邻所述三级异质纤维预制体的层间距为5mm。具备负泊松比效应的三级异质纤维预制体，相邻所述三级异质纤维的芯纤维之间的距离为5mm。所述低模量纤维为聚乙烯纤维；直径为380μm的纤维束，弹性模量为4GPa，断裂伸长率为15％，密度为0.91g/cm3。所述一级辅纤维是芳纶纤维，弹性模量为85GPa，直径为243μm，螺旋角为7°；所述第二级辅纤维为超高分子量聚乙烯纤维，弹性模量为130GPa，直径为149μm，螺旋角为20°；所述第三级辅纤维是钢纤维和碳纤维，其中，钢纤维的弹性模量为205GPa，碳纤维的弹性模量为205GPa，钢纤维和碳纤维的直径均为141μm，碳纤维和钢纤维的螺旋角均为35°。
所述外表高强层是具备多个内凹孔结构的金属层；所述内凹孔由两个中心对称的正六面梯台结构组成，所述内凹孔的上、下两端为正六面梯台的底部，两个所述正六面梯台的顶部相连。所述两个正六面梯台顶部相连处凹角α为120度；所述正六面梯台底部六边形的边长为a(a＝3.0mm)，所述正六面梯台顶部六边形的边长d为0.4a，所述内凹孔的高度h为2.1a；单个所述内凹孔的体积为142mm3；所述金属为铝。
所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)内表粘弹层的制备：将固化剂和增韧剂加入到基体材料中，固化剂和基体材料的质量比为1.0:0.9，增韧剂的量为基体材料质量的6.0％，加热至55℃，直至固化完成得到粘弹层。所述固化剂为聚酯树脂；所述增韧剂为聚乙烯醇缩丁醛。
(2)内部刚性层的加工制备：对陶瓷表面进行提高粗糙度处理，采用激光蚀刻技术以高能量的激光照射陶瓷使表面产生熔化和重淬火，从而形成散布的小凹坑，以增加陶瓷的粘接面积和机械嵌合力，粗糙度保持在Ra0.007。
(3)中间弹性层的制备：
(a)一级异质纤维胚结构的加工制备：按照所述一级结构的螺旋角度，将所述作为一级辅纤维的高模量纤维缠绕在作为芯纤维的低模量纤维上，制备得到一级异质纤维胚结构。
(b)一级异质纤维胚结构的固化处理：将偶联剂、固化剂和增韧剂分别加入到中间弹性层的基体材料中充分搅拌，其中偶联剂的量为基体材料质量的1.5％，所述固化剂与基体材料的质量比为1.0:0.9，增韧剂的量为基体材料质量的6.0％；然后将步骤(a)制备的一级异质纤维胚结构浸入其中，加热至55℃，使一级异质纤维胚结构充分浸渍后提拉出固化体系，静置，直至固化完成，得到一级异质纤维结构。所述偶联剂为铝酸酯偶联剂；所述固化剂为聚酯树脂；所述增韧剂为聚乙烯醇缩丁醛。
(c)三级异质纤维结构的加工制备：将步骤(b)所得的异质纤维作为一级结构，按照所述三级结构的螺旋角度，重复步骤(a)和步骤(b)，得到三级异质纤维结构。
(d)多级异质纤维预制体的编织制备：将所得三级异质纤维，按照经纬方向，通过经纬平织方法，编织成为经纬平织结构，然后将步骤(b)所述固化体系充分涂覆在经纬平织结构的所有经纬交接点，静置，直至完成固化，得到三级异质纤维预制体。
(e)中间弹性层的制备：将质量分数为0.6％的羟基化石墨烯加入到基体材料中，超声分散使其充分分散，获得改性基体，备用；在内部刚性层表面铺设一层多级异质纤维预制体，然后灌装、涂抹或喷涂上述改性基体15mm，固化；重复上述步骤2次，即可得到中间弹性层。
(4)外表高强层的加工制备：采用选择性激光烧结法，利用UG软件构建内凹孔金属三维模型，模型转换STL格式后输入到激光粉末烧结快速成型系统中，烧结成型得到具备内凹孔结构的金属层。
(5)将内表粘弹层-界面连接层-内部刚性层-界面连接层-中间弹性层-界面连接层-外表高强层按照从下往上的顺序叠层放置，采用真空热压扩散结合法,将铺层好的材料放入热压炉的热压模具内进行3级抽真空，真空度抽取完成后，进行160℃加热；温度达到后进行均匀加压及保压22min(2MPa)；热压成型完毕，降温冷却，即得到抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料。
实施例3：
抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，由内表粘弹层-内部刚性层-中间弹性层-外表高强层的层状单元结构组成。所述复合阻尼材料的相邻两层之间均设置界面连接层，所述界面连接层为添加偶联剂的有机硅树脂。
所述内表粘弹层为添加增韧剂的脲醛树脂。
所述内部刚性层为氮化硅陶瓷。
所述中间弹性层包括基体材料以及设置在基体材料中的具有负泊松比效应的四级异质纤维预制体。所述基体材料为添加增韧剂的有机硅树脂。所述具有负泊松比效应的四级异质纤维预制体为4层，相邻所述四级异质纤维预制体的层间距为4mm。具备负泊松比效应的四级异质纤维预制体，相邻所述四级异质纤维的芯纤维之间的距离为25mm。所述低模量纤维为聚苯硫醚纤维；直径为415μm的纤维束，弹性模量为5.94GPa，断裂伸长率为30％。所述一级辅纤维是聚芳酯纤维，弹性模量为50GPa，直径为272μm，螺旋角为6°；所述第二级辅纤维是聚苯并二恶唑纤维，弹性模量为56GPa，直径为223μm，螺旋角为11°；所述第三级辅纤维是超高分子量聚乙烯纤维，弹性模量为65GPa，直径为145μm，螺旋角为18°；所述第四级辅纤维是氧化铝纤维，弹性模量为455GPa，直径为125μm，螺旋角为31°。
所述外表高强层是具备多个内凹孔结构的金属层。所述内凹孔由两个中心对称的正六面梯台结构组成，所述内凹孔的上、下两端为正六面梯台的底部，两个所述正六面梯台的顶部相连。所述两个正六面梯台顶部相连处凹角α为120度；所述正六面梯台底部六边形的边长为a(a＝4.0mm)，所述正六面梯台顶部六边形的边长d为0.5a，所述内凹孔的高度h为1.7a；单个所述内凹孔的体积为336mm3；所述金属为镍。
所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)内表粘弹层的制备：将固化剂和增韧剂加入到基体材料中，固化剂和基体材料的质量比为1.0:1.0，增韧剂的量为基体材料质量的7.0％，加热至60℃，直至固化完成得到粘弹层。所述固化剂为聚酰胺；所述增韧剂为聚醚砜。
(2)内部刚性层的加工制备：对陶瓷表面进行提高粗糙度处理，采用激光蚀刻技术以高能量的激光照射陶瓷使表面产生熔化和重淬火，从而形成散布的小凹坑，以增加陶瓷的粘接面积和机械嵌合力，粗糙度保持在Ra0.009。
(3)中间弹性层的制备：
(a)一级异质纤维胚结构的加工制备：按照所述一级结构的螺旋角度，将所述作为一级辅纤维的高模量纤维缠绕在作为芯纤维的低模量纤维上，制备得到一级异质纤维胚结构。
(b)一级异质纤维胚结构的固化处理：将偶联剂、固化剂和增韧剂分别加入到中间弹性层的基体材料中充分搅拌，其中偶联剂的量为基体材料质量的2.0％，所述固化剂与基体材料的质量比为1.0:1.0，增韧剂的量为基体材料质量的7.0％；然后将步骤(a)制备的一级异质纤维胚结构浸入其中，加热至60℃，使一级异质纤维胚结构充分浸渍后提拉出固化体系，静置，直至固化完成，得到一级异质纤维结构。所述偶联剂为双金属偶联剂；所述固化剂为聚酰胺；所述增韧剂为聚醚砜。
(c)四级异质纤维结构的加工制备：将步骤(b)所得的异质纤维作为一级结构，按照所述四级结构的螺旋角度，重复步骤(a)和步骤(b)，得到四级异质纤维结构。
(d)多级异质纤维预制体的编织制备：将所得四级异质纤维，按照经纬方向，通过经纬平织方法，编织成为经纬平织结构，然后将步骤(b)所述固化体系充分涂覆在经纬平织结构的所有经纬交接点，静置，直至完成固化，得到四级异质纤维预制体。
(e)中间弹性层的制备：将质量分数为0.8％的羟基化石墨烯加入到基体材料中，超声分散使其充分分散，获得改性基体，备用；在内部刚性层表面铺设一层多级异质纤维预制体，然后灌装、涂抹或喷涂上述改性基体5mm，固化；重复上述步骤3次，即可得到中间弹性层。
(4)外表高强层的加工制备：采用选择性激光烧结法，利用UG软件构建内凹孔金属三维模型，模型转换STL格式后输入到激光粉末烧结快速成型系统中，烧结成型得到具备内凹孔结构的金属层。
(5)将内表粘弹层-界面连接层-内部刚性层-界面连接层-中间弹性层-界面连接层-外表高强层按照从下往上的顺序叠层放置，采用真空热压扩散结合法,将铺层好的材料放入热压炉的热压模具内进行3级抽真空，真空度抽取完成后，进行170℃加热；温度达到后进行均匀加压及保压25min(5MPa)；热压成型完毕，降温冷却，即得到抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料。
实施例4：
抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，由内表粘弹层-内部刚性层-中间弹性层-外表高强层的层状单元结构组成。所述复合阻尼材料的相邻两层之间均设置界面连接层，所述界面连接层为添加偶联剂的醇酸树脂。
所述内表粘弹层为添加增韧剂的有机硅树脂。
所述内部刚性层为氮化硼陶瓷。
所述中间弹性层包括基体材料以及设置在基体材料中的具有负泊松比效应的五级异质纤维预制体。所述基体材料为添加增韧剂的脲醛树脂。所述具有负泊松比效应的五级异质纤维预制体为2层，相邻所述五级异质纤维预制体的层间距为8mm。具备负泊松比效应的五级异质纤维预制体，相邻所述五级异质纤维的芯纤维之间的距离为30mm。所述低模量纤维为聚酯纤维；聚酯纤维：直径为670μm，密度1.34g/cm3，弹性模量为13.55GPa，断裂伸长率为20％，为柔性链纤维。所述一级辅纤维是芳纶纤维，弹性模量为50GPa，直径为230μm，螺旋角为7°；所述第二级辅纤维为石英纤维，弹性模量为78GPa，直径为125μm，螺旋角为10°，所述第三级辅纤维为聚芳酯纤维，弹性模量为87GPa，直径为90μm，螺旋角为24°，所述第四级辅纤维是玄武岩纤维，弹性模量为111GPa，直径为77μm，螺旋角为35°；所述第五级辅纤维为氧化铝纤维，弹性模量为459GPa，直径为71μm，螺旋角为50°。
所述外表高强层是具备多个内凹孔结构的金属层。所述内凹孔由两个中心对称的正六面梯台结构组成，所述内凹孔的上、下两端为正六面梯台的底部，两个所述正六面梯台的顶部相连。所述两个正六面梯台顶部相连处凹角α为120度；所述正六面梯台底部六边形的边长为a(a＝5.0mm)，所述正六面梯台顶部六边形的边长d为0.6a，所述内凹孔的高度h为1.35a；单个所述内凹孔的体积为657mm3；所述金属为镍合金。
所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)内表粘弹层的制备：将固化剂和增韧剂加入到基体材料中，固化剂和基体材料的质量比为1.0:1.1，增韧剂的量为基体材料质量的8.0％，加热至65℃，直至固化完成得到粘弹层。所述固化剂为聚醚胺；所述增韧剂为聚苯醚酮。
(2)内部刚性层的加工制备：对陶瓷表面进行提高粗糙度处理，采用激光蚀刻技术以高能量的激光照射陶瓷使表面产生熔化和重淬火，从而形成散布的小凹坑，以增加陶瓷的粘接面积和机械嵌合力，粗糙度保持在Ra0.011。
(3)中间弹性层的制备：
(a)一级异质纤维胚结构的加工制备：按照所述一级结构的螺旋角度，将所述作为一级辅纤维的高模量纤维缠绕在作为芯纤维的低模量纤维上，制备得到一级异质纤维胚结构。
(b)一级异质纤维胚结构的固化处理：将偶联剂、固化剂和增韧剂分别加入到中间弹性层的基体材料中充分搅拌，其中偶联剂的量为基体材料质量的4.0％，所述固化剂与基体材料的质量比为1.0:1.1，增韧剂的量为基体材料质量的8.0％；然后将步骤(a)制备的一级异质纤维胚结构浸入其中，加热至65℃，使一级异质纤维胚结构充分浸渍后提拉出固化体系，静置，直至固化完成，得到一级异质纤维结构。所述偶联剂为硅烷偶联剂；所述固化剂为聚醚胺；所述增韧剂为聚苯醚酮。
(c)五级异质纤维结构的加工制备：将步骤(b)所得的异质纤维作为一级结构，按照所述五级结构的螺旋角度，重复步骤(a)和步骤(b)，得到五级异质纤维结构。
(d)多级异质纤维预制体的编织制备：将所得五级异质纤维，按照经纬方向，通过经纬平织方法，编织成为经纬平织结构，然后将步骤(b)所述固化体系充分涂覆在经纬平织结构的所有经纬交接点，静置，直至完成固化，得到五级异质纤维预制体。
(e)中间弹性层的制备：将质量分数为1.2％的羟基化石墨烯加入到基体材料中，超声分散使其充分分散，获得改性基体，备用；在内部刚性层表面铺设一层多级异质纤维预制体，然后灌装、涂抹或喷涂上述改性基体10mm，固化；重复上述步骤1次，即可得到中间弹性层。
(4)外表高强层的加工制备：采用选择性激光烧结法，利用UG软件构建内凹孔金属三维模型，模型转换STL格式后输入到激光粉末烧结快速成型系统中，烧结成型得到具备内凹孔结构的金属层。
(5)将内表粘弹层-界面连接层-内部刚性层-界面连接层-中间弹性层-界面连接层-外表高强层按照从下往上的顺序叠层放置，采用真空热压扩散结合法,将铺层好的材料放入热压炉的热压模具内进行3级抽真空，真空度抽取完成后，进行180℃加热；温度达到后进行均匀加压及保压30min(1MPa)；热压成型完毕，降温冷却，即得到抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料。
实施例5：
抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，由内表粘弹层-内部刚性层-中间弹性层-外表高强层的层状单元结构组成。所述复合阻尼材料的相邻两层之间均设置界面连接层，所述界面连接层为添加偶联剂的聚酯树脂。
所述内表粘弹层为添加增韧剂的聚氨酯。
所述内部刚性层为氮化铝陶瓷。
所述中间弹性层包括基体材料以及设置在基体材料中的具有负泊松比效应的六级异质纤维预制体。所述基体材料为添加增韧剂的环氧树脂。所述具有负泊松比效应的六级异质纤维预制体为3层，相邻所述六级异质纤维预制体的层间距为6mm。具备负泊松比效应的六级异质纤维预制体，相邻所述六级异质纤维的芯纤维之间的距离为40mm。所述低模量纤维为聚乙烯醇纤维；聚酰胺纤维：长纤维，直径为485μm，断裂伸长率为24％，弹性模量为5.23GPa，密度为1.16g/cm3。所述一级辅纤维是芳纶纤维，弹性模量为72GPa，直径为285μm，螺旋角为7°；所述第二级辅纤维为聚芳酯纤维，弹性模量为120GPa，直径为226μm，螺旋角为15°；所述第三级辅纤维是钢纤维，弹性模量为210GPa，直径为180μm，螺旋角为25°；所述第四级辅纤维是碳化硅纤维，弹性模量为290GPa，直径为142μm，螺旋角为34°；所述第五级辅纤维是氧化铝纤维，弹性模量为373GPa，直径为114μm，螺旋角为40°；所述第六级辅纤维是硅酸铝纤维，弹性模量为481GPa，直径为100μm，螺旋角为50°。
所述外表高强层是具备多个内凹孔结构的金属层。所述内凹孔由两个中心对称的正六面梯台结构组成，所述内凹孔的上、下两端为正六面梯台的底部，两个所述正六面梯台的顶部相连。所述两个正六面梯台顶部相连处凹角α为120度；所述正六面梯台底部六边形的边长为a(a＝6.0mm)，所述正六面梯台顶部六边形的边长d为0.7a，所述内凹孔的高度h为a；单个所述内凹孔的体积为578mm3；所述金属为镁合金。
所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)内表粘弹层的制备：将固化剂和增韧剂加入到基体材料中，固化剂和基体材料的质量比为1.0:1.2，增韧剂的量为基体材料质量的9.0％，加热至70℃，直至固化完成得到粘弹层。所述固化剂为乙二醇；所述增韧剂为羧基丁腈橡胶。
(2)内部刚性层的加工制备：对陶瓷表面进行提高粗糙度处理，采用激光蚀刻技术以高能量的激光照射陶瓷使表面产生熔化和重淬火，从而形成散布的小凹坑，以增加陶瓷的粘接面积和机械嵌合力，粗糙度保持在Ra0.013。
(3)中间弹性层的制备：
(a)一级异质纤维胚结构的加工制备：按照所述一级结构的螺旋角度，将所述作为一级辅纤维的高模量纤维缠绕在作为芯纤维的低模量纤维上，制备得到一级异质纤维胚结构。
(b)一级异质纤维胚结构的固化处理：将偶联剂、固化剂和增韧剂分别加入到中间弹性层的基体材料中充分搅拌，其中偶联剂的量为基体材料质量的5.0％，所述固化剂与基体材料的质量比为1.0:1.2，增韧剂的量为基体材料质量的9.0％；然后将步骤(a)制备的一级异质纤维胚结构浸入其中，加热至70℃，使一级异质纤维胚结构充分浸渍后提拉出固化体系，静置，直至固化完成，得到一级异质纤维结构。所述偶联剂为钛酸酯偶联剂；所述固化剂为乙二醇；所述增韧剂为羧基丁腈橡胶。
(c)六级异质纤维结构的加工制备：将步骤(b)所得的异质纤维作为一级结构，按照所述六级结构的螺旋角度，重复步骤(a)和步骤(b)，得到六级异质纤维结构。
(d)多级异质纤维预制体的编织制备：将所得六级异质纤维，按照经纬方向，通过经纬平织方法，编织成为经纬平织结构，然后将步骤(b)所述固化体系充分涂覆在经纬平织结构的所有经纬交接点，静置，直至完成固化，得到六级异质纤维预制体。
(e)中间弹性层的制备：将质量分数为1.6％的羟基化石墨烯加入到基体材料中，超声分散使其充分分散，获得改性基体，备用；在内部刚性层表面铺设一层多级异质纤维预制体，然后灌装、涂抹或喷涂上述改性基体8mm，固化；重复上述步骤1次，即可得到中间弹性层。
(4)外表高强层的加工制备：采用选择性激光烧结法，利用UG软件构建内凹孔金属三维模型，模型转换STL格式后输入到激光粉末烧结快速成型系统中，烧结成型得到具备内凹孔结构的金属层。
(5)将内表粘弹层-界面连接层-内部刚性层-界面连接层-中间弹性层-界面连接层-外表高强层按照从下往上的顺序叠层放置，采用真空热压扩散结合法,将铺层好的材料放入热压炉的热压模具内进行3级抽真空，真空度抽取完成后，进行200℃加热；温度达到后进行均匀加压及保压20min(5MPa)；热压成型完毕，降温冷却，即得到抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料。
实施例6：
抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，由内表粘弹层-内部刚性层-中间弹性层-外表高强层的层状单元结构组成。所述复合阻尼材料的相邻两层之间均设置界面连接层，所述界面连接层为添加偶联剂的双酚A型环氧树脂。
所述内表粘弹层为添加增韧剂的聚脲。
所述内部刚性层为氧化铝陶瓷。
所述中间弹性层包括基体材料以及设置在基体材料中的具有负泊松比效应的七级异质纤维预制体。所述基体材料为添加增韧剂的聚脲。所述具有负泊松比效应的七级异质纤维预制体为4层，相邻所述七级异质纤维预制体的层间距为20mm。具备负泊松比效应的七级异质纤维预制体，相邻所述七级异质纤维的芯纤维之间的距离为50mm。所述低模量纤维为聚酰亚胺纤维；其中，弹性模量为12GPa，密度为2.35g/cm3，直径为600μm，断裂伸长率29％。所述一级辅纤维是耐碱玻璃纤维，弹性模量为74GPa，直径为305μm，螺旋角为5°；所述第二级辅纤维为超高分子量聚乙烯纤维，弹性模量为100GPa，直径为200μm，螺旋角为14°；所述第三级辅纤维是碳化硅纤维，弹性模量为174GPa，直径为152μm，螺旋角为24°；所述第四级辅纤维是钢纤维，弹性模量为202GPa，直径为124μm，螺旋角为33°；所述第五级辅纤维是碳纤维，弹性模量为245GPa，直径为102μm，螺旋角为40°；所述第六级辅纤维是氧化铝纤维，弹性模量为351GPa，直径为76μm，螺旋角为50°；所述第七级辅纤维是碳化硅纤维，弹性模量为462GPa，直径为41μm，螺旋角为60°。
所述外表高强层是具备多个内凹孔结构的金属层。所述内凹孔由两个中心对称的正六面梯台结构组成，所述内凹孔的上、下两端为正六面梯台的底部，两个所述正六面梯台的顶部相连。所述两个正六面梯台顶部相连处凹角α为120度；所述正六面梯台底部六边形的边长为a(a＝7mm)，所述正六面梯台顶部六边形的边长d为0.5a，所述内凹孔的高度h为1.7a；单个所述内凹孔的体积为920mm3；所述金属为钛合金。
所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)内表粘弹层的制备：将固化剂和增韧剂加入到基体材料中，固化剂和基体材料的质量比为1.0:0.9，增韧剂的量为基体材料质量的10.0％，加热至80℃，直至固化完成得到粘弹层。所述固化剂为己二胺；所述增韧剂为聚乙烯醇缩丁醛。
(2)内部刚性层的加工制备：对陶瓷表面进行提高粗糙度处理，采用激光蚀刻技术以高能量的激光照射陶瓷使表面产生熔化和重淬火，从而形成散布的小凹坑，以增加陶瓷的粘接面积和机械嵌合力，粗糙度保持在Ra0.015。
(3)中间弹性层的制备：
(a)一级异质纤维胚结构的加工制备：按照所述一级结构的螺旋角度，将所述作为一级辅纤维的高模量纤维缠绕在作为芯纤维的低模量纤维上，制备得到一级异质纤维胚结构。
(b)一级异质纤维胚结构的固化处理：将偶联剂、固化剂和增韧剂分别加入到中间弹性层的基体材料中充分搅拌，其中偶联剂的量为基体材料质量的3.0％，所述固化剂与基体材料的质量比为1.0:0.9，增韧剂的量为基体材料质量的7.0％；然后将步骤(a)制备的一级异质纤维胚结构浸入其中，加热至80℃，使一级异质纤维胚结构充分浸渍后提拉出固化体系，静置，直至固化完成，得到一级异质纤维结构。所述偶联剂为硅烷偶联剂；所述固化剂为己二胺；所述增韧剂为聚乙烯醇缩丁醛。
(c)七级异质纤维结构的加工制备：将步骤(b)所得的异质纤维作为一级结构，按照所述七级结构的螺旋角度，重复步骤(a)和步骤(b)，得到七级异质纤维结构。
(d)多级异质纤维预制体的编织制备：将所得七级异质纤维，按照经纬方向，通过经纬平织方法，编织成为经纬平织结构，然后将步骤(b)所述固化体系充分涂覆在经纬平织结构的所有经纬交接点，静置，直至完成固化，得到七级异质纤维预制体。
(e)中间弹性层的制备：将质量分数为0.3％的羟基化石墨烯加入到基体材料中，超声分散使其充分分散，获得改性基体，备用；在内部刚性层表面铺设一层多级异质纤维预制体，然后灌装、涂抹或喷涂上述改性基体4mm，固化；重复上述步骤3次，即可得到中间弹性层。
(4)外表高强层的加工制备：采用选择性激光烧结法，利用UG软件构建内凹孔金属三维模型，模型转换STL格式后输入到激光粉末烧结快速成型系统中，烧结成型得到具备内凹孔结构的金属层。
(5)将内表粘弹层-界面连接层-内部刚性层-界面连接层-中间弹性层-界面连接层-外表高强层按照从下往上的顺序叠层放置，采用真空热压扩散结合法,将铺层好的材料放入热压炉的热压模具内进行3级抽真空，真空度抽取完成后，进行220℃加热；温度达到后进行均匀加压及保压28min(3MPa)；热压成型完毕，降温冷却，即得到抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料。
对照实施例1：
制备多孔金属/混杂纤维增强弹性层/陶瓷层状复合材料，具体制备方法为：
(1)将等规格、等质量的短切聚酰亚胺纤维、短切耐碱玻璃纤维、短切超高分子量聚乙烯纤维、短切碳化硅纤维、短切钢纤维、短切碳纤维、短切氧化铝纤维、短切碳化硅纤维，充分均匀的分散在与实施例6相同配方与厚度的改性聚脲基体中，得到中间弹性层。
(2)采用3D打印技术，制备具有孔隙率、孔径分布、厚度的钛合金层。
(3)按照实施例6的层间厚度比，将多孔钛合金/中间弹性层/氧化铝陶瓷叠层放置，层间涂覆添加硅烷偶联剂的双酚A型环氧树脂，采用真空热压扩散结合法，将铺层好的材料放入热压炉的热压模具内进行3级抽真空，真空度抽取完成后，进行220℃加热；温度达到后进行均匀加压及保压28min(3MPa)；热压成型完毕，降温冷却，即得到多孔金属/混杂纤维增强弹性层/陶瓷层状复合材料，以其抗冲击强度作为测试的基准。
将对照实施例1与实施例1-6制备的复合材料样品分别进行相应的抗冲击强度测试。
纤维力学性能测试：应用万能力学试验机，采用5mm/min的拉伸速度，纤维长度为250mm。
泊松比值的测试：采用数字散斑相关方法配合万能力学实验机测试计算，力学实验机加载速度为5mm/min。
复合材料抗冲击强度测试：依据GB/T1451使用万能试验机进行测试，得到复合材料的抗冲击强度。
表1对照实施例1的纤维与实施例1-6制备的纤维预制体的参数
纤维预制体 对照实施例1 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
泊松比值 0.4 -6.25 -7.58 -8.86 -9.45 -10.68 -11.39
表2对照实施例1与实施例1-6制备的抗爆抗冲击复合材料的抗冲击强度
Figure BDA0002247091010000171
由表1可知，实施例1-6制备的纤维预制体的泊松比值为-6.25～-11.39，而对照实施例所述的纤维的泊松比值为0.4。由此可知，与现有技术中的纤维相比，本申请所述的多级纤维预制体的负泊松效应更加显著；而且随着纤维预制体中辅纤维级数的增加，负泊松比效应也逐步增加。
由表2可知，实施例1-6制备的复合材料的抗冲击强度与对照实施例1相比均显著提高，说明其抗爆抗冲击性能得到大幅提高。相对于相同体系的金属/混杂纤维增强弹性层/陶瓷复合材料，本申请所制备的复合材料的抗冲击性能增幅可达268.3％，说明该复合材料的纤维预制体和内凹孔金属的设计，以及多层材料之间的梯度结合方式具有显著的增强抗冲击、抗爆作用。

Claims (10)

1.抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，由至少一个内表粘弹层-内部刚性层-中间弹性层-外表高强层的层状单元结构组成；其特征在于：所述中间弹性层包括基体材料以及设置在基体材料中的具有负泊松比效应的多级异质纤维预制体；所述纤维预制体由若干根多级异质纤维经纬平织而成；所述多级异质纤维由多级辅纤维在芯纤维上缠绕而成；所述芯纤维为低模量纤维，所述多级辅纤维包括依次缠绕在芯纤维上的弹性模量不同的高模量纤维；所述多级辅纤维中的一级辅纤维弹性模量为50GPa-90GPa；第N级辅纤维与第N-1级辅纤维的弹性模量比为1.1-9.6，N=2-7；所述芯纤维与一级辅纤维的直径比为1.5-3.0，芯纤维与第N级辅纤维的直径比为2.5-15.0，第N级辅纤维与第N-1级辅纤维的直径比为0.5-0.9，N为2-7；所述第一级辅纤维螺旋角度为2°-8°，第N级辅纤维的螺旋角度较第N-1级辅纤维增加3°-15°，第N级辅纤维螺旋角度为5°-60°，N为2-7。
2.根据权利要求1所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，其特征在于：所述中间弹性层中具有负泊松比效应的多级异质纤维预制体为1层-4层；相邻所述多级异质纤维预制体的层间距为2mm-20mm；相邻所述多级异质纤维的芯纤维之间的距离为2mm-50mm；所述低模量纤维的弹性模量为50MPa-50GPa；所述高模量纤维的弹性模量为≥50GPa；第N级辅纤维与第N-1级辅纤维的弹性模量比为1.1-7.5，N为2-7；所述芯纤维与一级辅纤维的直径比为1.5-2.5，芯纤维与第N级辅纤维的直径比为2.5-10.0，第N级辅纤维螺旋角度为10°-60°，N为2-7。
3.根据权利要求2所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，其特征在于：所述低模量纤维为聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、聚氯乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、聚酰亚胺纤维、聚酯纤维、聚氨酯纤维、纤维素纤维、聚四氟乙烯纤维和聚苯硫醚纤维中的一种或多种；所述高模量纤维为芳纶纤维、聚苯并咪唑纤维、聚苯并二恶唑纤维、聚芳酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、钢纤维、连续玄武岩纤维、碳化硅纤维、氧化镁纤维、氧化铝纤维、二氧化硅纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、石墨烯纤维和硼纤维中的一种或多种。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，其特征在于：所述梯度复合阻尼材料中的相邻两层之间均设置界面连接层，所述界面连接层为添加偶联剂的酚醛树脂、双酚A型环氧树脂、有机硅树脂、醇酸树脂、聚酯树脂中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，其特征在于：所述内表粘弹层和中间弹性层的基体材料均为添加增韧剂的环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、有机硅树脂、聚氨酯、聚脲中的一种或几种。
6.根据权利要求4所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，其特征在于：所述外表高强层是具备多个内凹孔结构的金属层；所述内凹孔由两个中心对称的正六面梯台结构组成，所述内凹孔的上、下两端为正六面梯台的底部，两个所述正六面梯台的顶部相连。
7.根据权利要求6所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，其特征在于：所述两个正六面梯台顶部相连处凹角α为120°；所述正六面梯台底部六边形的边长为a，所述正六面梯台顶部六边形的边长d为0.3a-0.7a，所述内凹孔的高度h为a-2.4a；单个所述内凹孔的体积为100 mm3-1000mm3；所述金属为铝、镍、镁、钛及其合金中的一种或几种。
8.根据权利要求4所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料，其特征在于：所述内部刚性层为弹性模量220GPa-460GPa的陶瓷材料，具体为碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼、氮化铝、氧化铝和氧化锆陶瓷中的一种或几种。
9.如权利要求1-8所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料的制备方法，其特征在于：所述制备包括以下步骤：
（1）内表粘弹层的制备：将固化剂和增韧剂加入到基体材料中，固化剂和基体材料的质量比为1.0:0.8-1.0:1.2，增韧剂的量为基体材料质量的5.0%-10.0%，加热至50℃-80℃，直至固化完成得到粘弹层；
（2）内部刚性层的加工制备：对陶瓷表面进行提高粗糙度处理，采用激光蚀刻技术以高能量的激光照射陶瓷使表面产生熔化和重淬火，形成散布的小凹坑，粗糙度保持在Ra0.005-Ra0.015；
（3）中间弹性层的制备：
（a）一级异质纤维胚结构的加工制备：按照所述一级结构的螺旋角度，将所述作为一级辅纤维的高模量纤维缠绕在作为芯纤维的低模量纤维上，制备得到一级异质纤维胚结构；
（b）一级异质纤维胚结构的固化处理：将偶联剂、固化剂和增韧剂分别加入到中间弹性层的基体材料中充分搅拌，其中偶联剂的量为基体材料质量的0.1%-5.0%，所述固化剂与基体材料的质量比为1.0:0.8 -1.0:1.2，增韧剂的量为基体材料质量的5.0%-10.0%；然后将步骤（a）制备的一级异质纤维胚结构浸入其中，加热至50℃-80℃，使一级异质纤维胚结构充分浸渍后提拉出固化体系，静置，直至固化完成，得到一级异质纤维结构；
（c）N级异质纤维结构的加工制备：将步骤（b）所得的异质纤维作为一级结构，按照所述N级结构的螺旋角度，重复步骤（a）和步骤（b），得到N级异质纤维结构，N为2-7；
（d）多级异质纤维预制体的编织制备：将所得N级异质纤维，按照经纬方向，通过经纬平织方法，编织成为经纬平织结构，然后将步骤（b）所述固化体系充分涂覆在经纬平织结构的所有经纬交接点，静置，直至完成固化，得到N级异质纤维预制体，N为2-7；
（e）中间弹性层的制备：将质量分数为0.2%-2.0%的羟基化石墨烯加入到基体材料中，超声分散使其充分分散，获得改性基体，备用；在内部刚性层表面铺设一层多级异质纤维预制体，然后灌装、涂抹或喷涂上述改性基体2mm-20mm ，固化；重复上述步骤0-3次，即可得到中间弹性层；
（4）外表高强层的加工制备：采用选择性激光烧结法，利用UG软件构建内凹孔金属三维模型，模型转换STL格式后输入到激光粉末烧结快速成型系统中，烧结成型得到具备内凹孔结构的金属层；
（5）将内表粘弹层-界面连接层-内部刚性层-界面连接层-中间弹性层-界面连接层-外表高强层按照从下往上的顺序叠层放置，采用真空热压扩散结合法, 将铺层好的材料放入热压炉的热压模具内进行3级抽真空，真空度抽取完成后，进行150℃-220℃加热，温度达到后进行均匀加压及保压20min -30min；热压成型完毕，降温冷却，即得到抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料。
10.根据权利要求9所述的抗爆抗冲击负泊松比梯度复合阻尼材料的制备方法，其特征在于：所述偶联剂为钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、双金属偶联剂和硅烷偶联剂中的一种或多种；所述固化剂为聚酰胺、聚酯树脂、二元醇、多元醇、芳族胺类、脂肪族胺类固化剂中的一种或多种；所述增韧剂为羧基丁腈橡胶、聚乙烯醇缩丁醛、聚醚砜、聚苯醚酮中的一种或多种。
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