CN111516280B - 一种纤维增强仿生复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纤维增强仿生复合材料及其制备方法，包括：依次纵向交替设置的第一纤维树脂层和第二纤维树脂层；设置在第一纤维树脂层与第二纤维树脂层之间，与第一纤维树脂层和第二纤维树脂层呈层状连接的弯曲纤维树脂层；与弯曲纤维树脂层垂直交叉连接的交叉纤维树脂层；交叉纤维树脂层由交叉编织的斜纹布组成。本申请纤维增强仿生复合材料由于弯曲纤维树脂层按曲线的形状多层铺排，具有均化应力，防止局部应力过大的作用；交叉纤维树脂层由交叉编织的斜纹布组成，且与弯曲纤维树脂层垂直交叉连接，斜纹布中纤维与斜纹布轴线之间存在预设角度，具有防止弯曲纤维树脂层层间剥离的作用，大大提高了材料的抗扭性能。

Description

一种纤维增强仿生复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，尤其涉及一种纤维增强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。相比于传统的工程材料重量大的缺点，纤维增强复合材料具有质量轻、力学性能好等诸多优点，得到了越来越多的广泛应用。

传统的纤维增强复合材料具有优异的抗弯、抗拉等优异的力学性能，但由于采用单一方向的铺层方式，导致其较差的层间韧性，各向异性明显，纤维增强层状复合材料的抗扭能力不佳，易发生剪切断裂，严重影响了相关机械结构的正常使用。同时由于三维编织复合材料的编织成型工艺复杂，纤维增强层状材料依然是工程材料轻量化设计的重要研究方向，如何充分发挥纤维复合材料轻量化的特点、提高层状复合材料层间韧性、增强其抗弯、扭等复杂载荷的能力是当前工程领域中亟待解决的难题。

因此，现有技术有待于进一步的改进。

发明内容

鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种纤维增强仿生复合材料及其制备方法，克服传统纤维增强复合材料采用单一方向的铺层方式，导致其较差的层间韧性，各向异性明显，抗扭能力不佳，易发生断裂的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种纤维增强仿生复合材料，其中，包括：依次纵向交替设置的第一纤维树脂层和第二纤维树脂层；设置在所述第一纤维树脂层与所述第二纤维树脂层之间，与所述第一纤维树脂层和所述第二纤维树脂层呈层状连接的弯曲纤维树脂层；与所述弯曲纤维树脂层垂直交叉连接的交叉纤维树脂层；所述交叉纤维树脂层由交叉编织的斜纹布组成。

所述的纤维增强仿生复合材料，其中，所述第一纤维树脂层、所述弯曲纤维树脂层、所述第二纤维树脂层以及所述交叉纤维树脂层由浸渍有树脂的纤维组成；所述第一纤维树脂层、所述弯曲纤维树脂层、所述第二纤维树脂层以及所述交叉纤维树脂层中纤维的重量百分比含量为40％～70％。

所述的纤维增强仿生复合材料，其中，所述第一纤维树脂层和所述第二纤维树脂层由单向纤维手工铺层而成；所述第一纤维树脂层和所述第二纤维树脂层的铺层方向为纵向；所述第一纤维树脂层和所述第二纤维树脂层的厚度为5mm。

所述的纤维增强仿生复合材料，其中，所述交叉纤维树脂层由斜纹布横向铺排而成；所述斜纹布采用机织方式编织而成；所述斜纹布中纤维与所述斜纹布轴线之间的夹角为±45°；所述交叉纤维树脂层厚度为5mm。

所述的纤维增强仿生复合材料，其中，所述弯曲纤维树脂层厚度为3～30mm；所述弯曲纤维树脂层的周期为2～12mm；所述弯曲纤维树脂层的振幅为0.5～2.5mm。

所述的纤维增强仿生复合材料，其中，所述纤维材质为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、凯夫拉纤维、麻纤维或木纤维中的一种或多种。

所述的纤维增强仿生复合材料，其中，所述树脂为热固性树脂或热塑性树脂。

一种所述的纤维增强仿生复合材料的制备方法，其中，包括步骤：

将纤维经树脂浸润形成纤维树脂层；

将纤维树脂层通过手工铺排的方式分别铺敷成第一纤维树脂层、第二纤维树脂层和弯曲纤维树脂层；

将表面处理后的纤维通过机织编织出斜纹布，将所述斜纹布横向铺排后浸润到树脂中，得到交叉纤维树脂层；

在所述弯曲纤维树脂层上切割出多条裂缝，将所述交叉纤维树脂层垂直插入所述弯曲纤维树脂层的裂缝中，得到垂直交叉连接的弯曲纤维树脂层和交叉纤维树脂层；

将所述第一纤维树脂层、垂直交叉连接的弯曲纤维树脂层和交叉纤维树脂层以及第二纤维树脂层依次交替铺放于模具型腔中；

将所述模具型腔内交替铺好的层结构在预设温度和预设压力下进行固化处理，得到纤维增强仿生复合材料。

所述的纤维增强仿生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。

所述的纤维增强仿生复合材料的制备方法，其中，所述预设温度为50～300℃；所述预设压力为1～30MPa；所述固化处理的时间为4～20h。

有益效果，本发明提供了一种纤维增强仿生复合材料及其制备方法，纤维增强仿生复合材料中的弯曲纤维树脂层按曲线的形状多层铺排，具有均化应力，防止局部应力过大的作用；交叉纤维树脂层由交叉编织的斜纹布组成，且与弯曲纤维树脂层垂直交叉连接，斜纹布中纤维与斜纹布轴线之间存在预设角度，具有防止弯曲纤维树脂层层间剥离的作用，大大提高了材料的抗扭性能。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的一种纤维增强仿生复合材料的结构示意图；

图2是本发明实施例中提供的一种纤维增强仿生复合材料的主视图；

图3是本发明实施例中提供的一种纤维增强仿生复合材料的侧视图；

图4是本发明实施例中提供的第一纤维树脂层的结构示意图；

图5是本发明实施例中提供的第二纤维树脂层的结构示意图；

图6是本发明实施例中提供的弯曲纤维树脂层与交叉纤维树脂层交错层状结构示意图；

图7是本发明实施例中提供的弯曲纤维树脂层铺排结构示意图；

图8是本发明实施例中提供的交叉纤维树脂层的结构示意图；

图9是本发明实施例中提供的一种纤维增强仿生复合材料中纤维结构示意图；

图10是本发明实施例中提供的交叉纤维树脂层与弯曲纤维层垂直交叉结构示意图；

图11是本发明实施例中提供的单层交叉纤维树脂层与单层弯曲纤维层垂直交叉结构示意图；

图12是本发明实施例中提供的单层交叉纤维层与单层弯曲纤维层垂直交叉结构主视图；

图13是本发明实施例中提供的单层交叉纤维层与单层弯曲纤维层垂直交叉结构俯视图；

图14是本发明实施例中提供的纤维与斜纹布轴线夹角为±45°的斜纹布的结构示意图；

图15是本发明实施例中提供的单层弯曲纤维层铺层结构示意图；

图16是本发明实施例中提供的第一纤维层和第二纤维层的单层结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例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。

仿生学研究发现，鸟类具有极佳的飞行能力，能够在复杂的风载条件下进行长时间可靠的飞行，而保持其翅膀和羽毛不发生结构断裂，羽轴优异的抗弯扭载荷特性源于皮质层独特的纤维排布层级结构，羽轴背侧和腹侧皮质层，纤维呈轴向排布，增强了羽轴的抗弯能力，侧壁处皮质层纤维交叉排布，与轴向呈±45°，这与羽轴扭转的最大应力方向相同，允许羽轴发生扭转，从而分散背腹方向的弯曲应力，增强抗弯抗扭能力。生物这种通过不同层级结构相互耦合、协同作用来提高材料力学性能的方式，为实现工程材料领域中轻质、抗弯扭载荷等复杂载荷的要求提供了较为良好的思路。

受自然界中鸟类羽轴结构启示，为了解决传统纤维增强复合材料采用单一方向的铺层方式，导致其较差的层间韧性，各向异性明显，抗扭能力不佳，易发生断裂的问题，本发明提供了一种纤维增强仿生复合材料，如图1～图3、图9～图13所示，所述纤维增强仿生复合材料包括：依次纵向交替设置的第一纤维树脂层1和第二纤维树脂层4；设置在所述第一纤维树脂层1和所述第二纤维树脂层4之间，与所述第一纤维树脂层1和所述第二纤维树脂层4呈层状连接的弯曲纤维树脂层2；与所述弯曲纤维树脂层2垂直交叉连接的交叉纤维树脂层3(图中5为树脂基体)；所述交叉纤维树脂层3由交叉编织的斜纹布组成。具体使用过程中，由于弯曲纤维树脂层2按曲线的形状多层铺排，具有均化应力，防止局部应力过大的作用；交叉纤维树脂层3由交叉编织的斜纹布组成，且与弯曲纤维树脂层2垂直交叉连接，斜纹布中纤维与斜纹布中轴线之间存在预设角度，具有防止弯曲纤维树脂层2层间剥离的作用，大大提高了材料的抗扭性能。

在一具体实施方式中，所述第一纤维树脂层1、所述弯曲纤维树脂层2、所述第二纤维树脂层4以及所述交叉纤维树脂层3由浸渍有树脂的纤维组成；所述树脂为热固性树脂或热塑性树脂；所述纤维材质为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、凯夫拉纤维、麻纤维或木纤维中的一种或多种；所述第一纤维树脂层1、所述弯曲纤维树脂层2、所述第二纤维树脂层4以及所述交叉纤维树脂层3中纤维的重量百分比含量为40％～70％。通过浸渍树脂，使得纤维束之间、纤维束与纤维布之间及纤维布与纤维布之间通过物理、化学作用很好地结合在一起，从而提高了所述纤维增强仿生复合材料力学性能。

具体实施时，如图4所示，所述第一纤维树脂层1由单向纤维手工铺层而成，构成所述第一纤维树脂层1的单向纤维的方向为轴向。如图16所示，为第一纤维树脂层1的单层结构示意图，所述第一纤维树脂层1由图16的单层结构纵向铺层得到，即铺层方向为至下而上。所述第二纤维树脂层4的厚度为5mm。如图5所示，与所述第一纤维树脂层1结构类似，所述第二纤维树脂层4由单向纤维手工铺层而成，所述第二纤维树脂层4的铺层方向为纵向，即铺层方向为至下而上，构成所述第二纤维树脂层4的单向纤维的方向为轴向；所述第二纤维树脂层4的厚度为5mm。

在一具体实施方式中，如图8所示，所述交叉纤维树脂层3由斜纹布横向铺排而成；所述斜纹布采用机织方式编织而成；所述交叉纤维树脂层3厚度为5mm。受鸟类羽轴侧壁处皮质层纤维与轴向呈±45°的启示，如图14所示，本实施例中将斜纹布中纤维与斜纹布轴线之间的夹角设置为±45°，由于斜纹布中纤维方向与扭转时最大应力方向相同，大大提高了材料的抗扭性能。

具体实施时，如图6、图7以及图15所示，所述弯曲纤维树脂层2由单层弯曲纤维树脂层2通过纵向铺层得到，所述弯曲纤维树脂层2厚度为3～30mm。所述弯曲纤维树脂层2为纤维布通过手工铺敷的形式使其结构满足相应的弯曲曲线，通过改变弯曲曲线的具体参数，可以改变弯曲纤维树脂层2的具体结构，在外载荷的作用下，弯曲纤维树脂层2的存在会起到均化应力以及应变重分配的作用，从而避免因材料局部应力、应变过大所导致的材料失效。通过调整弯曲纤维树脂层2的振幅与周期实现较为优良的材料性能，在一具体实施例中，所述弯曲纤维树脂层2的周期为2～12mm；所述弯曲纤维树脂层2的振幅为0.5～2.5mm。

与现有技术相比，本发明的实施例的优点在于：

1.本发明是基于鸟类羽轴皮质层独特的纤维层级结构所具有轻质、优异的抗弯扭载荷的特性，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。针对现有纤维材料轻质、抗弯扭载荷的要求进行纤维种类、铺敷层数、铺层角度等参数的优选，制备出一种纤维增强仿生复合材料。

2.本发明实现了材料的轻量化设计，较传统金属材料减轻40％～60％的同时，由于采用了突破性的纤维布垂直交叉的交错铺层方式，实现了层状结构相互的Z向缝合，大大提高传统纤维层状复合材料层间韧性差的缺点，增强了层状纤维材料层间抗剪切能力，由于斜纹布纤维方向与扭转时最大应力方向相同，大大提高了材料的抗扭性能。作为一种新的复合材料，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了一种上述纤维增强仿生复合材料的制备方法，其中，包括步骤：

S100、将纤维经树脂浸润形成纤维树脂层；

S200、将纤维树脂层通过手工铺排的方式分别铺敷成第一纤维树脂层、第二纤维树脂层和弯曲纤维树脂层；

S300、将表面处理后的纤维通过机织编织出斜纹布，将所述斜纹布横向铺排后浸润到树脂中，得到交叉纤维树脂层；

S400、在所述弯曲纤维树脂层上切割出多条裂缝，将所述交叉纤维树脂层垂直插入所述弯曲纤维树脂层的裂缝中，得到垂直交叉连接的弯曲纤维树脂层和交叉纤维树脂层；

S500、将所述第一纤维树脂层、垂直交叉连接的弯曲纤维树脂层和交叉纤维树脂层以及第二纤维树脂层依次交替铺放于模具型腔中；

S600、将所述模具型腔内交替铺好的层结构在预设温度和预设压力下进行固化处理，得到纤维增强仿生复合材料。

在一具体实施方式中，为了制备上述所述的纤维增强仿生复合材料，本实施例中首先将纤维浸润到树脂中得到纤维树脂层，并将纤维树脂层通过手工铺排的方式分别铺敷成第一纤维树脂层、第二纤维树脂层和弯曲纤维树脂层；然后将表面处理后的纤维通过机织编织出斜纹布，并将斜纹布浸润在树脂中，得到交叉纤维树脂层；随后在前述得到的弯曲纤维树脂层表面通过裂纹制造手段如刀具切割、线切割、水切割等方式切割出多条用于放置交叉纤维树脂层的裂缝，并将交叉纤维树脂层垂直插入裂缝中，得到垂直交叉连接的弯曲纤维树脂层和交叉纤维树脂层；最后将得到的第一纤维树脂层、垂直交叉连接的弯曲纤维树脂层和交叉纤维树脂层以及第二纤维树脂层依次交替铺放于模具型腔中，并将模具型腔内交替铺好的层结构在预设温度和预设压力下进行固化处理，得到上述纤维增强仿生复合材料。

在一具体实施例中，所述固化处理时采用的固化剂为聚醚胺或异佛尔酮；固化时的预设温度为50～300℃，预设压力为1～30MPa；固化处理时间为4～20h。

综上所述，本发明提供了一种纤维增强仿生复合材料及其制备方法，包括：依次纵向交替设置的第一纤维树脂层和第二纤维树脂层；设置在所述第一纤维树脂层与所述第二纤维树脂层之间，与所述第一纤维树脂层和所述第二纤维树脂层呈层状连接的弯曲纤维树脂层；与所述弯曲纤维树脂层垂直交叉连接的交叉纤维树脂层；所述交叉纤维树脂层由交叉编织的斜纹布组成。本申请纤维增强仿生复合材料由于弯曲纤维树脂层按曲线的形状多层铺排，具有均化应力，防止局部应力过大的作用；交叉纤维树脂层由交叉编织的斜纹布组成，且与弯曲纤维树脂层垂直交叉连接，斜纹布中纤维与斜纹布轴线之间存在预设角度，具有防止弯曲纤维树脂层层间剥离的作用，大大提高了材料的抗扭性能。

应当理解的是，本发明的系统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)

1.一种纤维增强仿生复合材料，其特征在于，包括：依次纵向交替设置的第一纤维树脂层和第二纤维树脂层；设置在所述第一纤维树脂层与所述第二纤维树脂层之间，与所述第一纤维树脂层和所述第二纤维树脂层呈层状连接的弯曲纤维树脂层；与所述弯曲纤维树脂层垂直交叉连接的交叉纤维树脂层；所述交叉纤维树脂层由交叉编织的斜纹布组成；所述弯曲纤维树脂层是呈周期性排列的正弦曲线的弯曲树脂层。

2.根据权利要求1所述的纤维增强仿生复合材料，其特征在于，所述第一纤维树脂层、所述弯曲纤维树脂层、所述第二纤维树脂层以及所述交叉纤维树脂层由浸渍有树脂的纤维组成；所述第一纤维树脂层、所述弯曲纤维树脂层、所述第二纤维树脂层以及所述交叉纤维树脂层中纤维的重量百分比含量为40％～70％。

3.根据权利要求2所述的纤维增强仿生复合材料，其特征在于，所述第一纤维树脂层和所述第二纤维树脂层由单向纤维手工铺层而成；所述第一纤维树脂层和所述第二纤维树脂层的铺层方向为纵向；所述第一纤维树脂层和所述第二纤维树脂层的厚度为5mm。

4.根据权利要求1所述的纤维增强仿生复合材料，其特征在于，所述交叉纤维树脂层由斜纹布横向铺排而成；所述斜纹布采用机织方式编织而成；所述斜纹布中纤维与所述斜纹布轴线之间的夹角为±45°；所述交叉纤维树脂层厚度为5mm。

5.根据权利要求1所述的纤维增强仿生复合材料，其特征在于，所述弯曲纤维树脂层厚度为3～30mm；所述弯曲纤维树脂层的周期为2～12mm；所述弯曲纤维树脂层的振幅为0.5～2.5mm。

6.根据权利要求2所述的纤维增强仿生复合材料，其特征在于，所述纤维材质为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、凯夫拉纤维、麻纤维或木纤维中的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的纤维增强仿生复合材料，其特征在于，所述树脂为热固性树脂或热塑性树脂。

8.一种权利要求1～7任一项所述的纤维增强仿生复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

将纤维经树脂浸润形成纤维树脂层；

将纤维树脂层通过手工铺排的方式分别铺敷成第一纤维树脂层、第二纤维树脂层和弯曲纤维树脂层；

将表面处理后的纤维通过机织编织出斜纹布，将所述斜纹布横向铺排后浸润到树脂中，得到交叉纤维树脂层；

在所述弯曲纤维树脂层上切割出多条裂缝，将所述交叉纤维树脂层垂直插入所述弯曲纤维树脂层的裂缝中，得到垂直交叉连接的弯曲纤维树脂层和交叉纤维树脂层；

将所述第一纤维树脂层、垂直交叉连接的弯曲纤维树脂层和交叉纤维树脂层以及第二纤维树脂层依次交替铺放于模具型腔中；

将所述模具型腔内交替铺好的层结构在预设温度和预设压力下进行固化处理，得到纤维增强仿生复合材料。

9.根据权利要求8所述的纤维增强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固化剂为聚醚胺或异佛尔酮。

10.根据权利要求9所述的纤维增强仿生复合材料的制备方法，其特征在于，所述预设温度为50～300℃；所述预设压力为1～30MPa；所述固化处理的时间为4～20h。

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