CN111531913A - 一种基于仿生互锁的Z-pin、复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于仿生互锁的Z‑pin、复合材料及其制备方法，所述Z‑pin包括Z‑pin主体，所述Z‑pin主体为下部设有尖端的圆柱体；凸脊，所述凸脊呈矩阵排列围绕设置在所述圆柱体上；所述凸脊的上部的切线与所述Z‑pin轴线之间的夹角大于所述凸脊的下部的切线与所述Z‑pin轴线之间的夹角。本发明通过在Z‑pin主体的上部设置呈矩阵排列的特定凸脊；使形成的Z‑pin与基体摩擦和粘结的同时，可与基体进行钩连与锁合形成互锁结构，该互锁结构提供额外的锁合力来抵御两者形成的复合材料的层间失效；此外，具有下部设有尖端的圆柱体结构的Z‑pin主体有利于本发明的Z‑pin快速植入基体。

Description

一种基于仿生互锁的Z-pin、复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料的技术领域，尤其涉及一种基于仿生互锁的Z-pin、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，复合材料的应用范围不断扩大。复合材料能够在满足材料轻量化的前提下提供足够的强度和刚度，受到航空航天、轨道运输、汽车等领域的欢迎。但是复合材料由于层间连接强度不够，常会发生Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂，Ⅰ型层间断裂为层间张开失效，Ⅱ型层间断裂为层间相互错动失效，上述两种失效形式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，如何在满足复合材料轻量化、高强度的同时实现良好的抗层间剥离性能，提高纤维曾强复合材料的层间连接强度与韧性，是当前工程领域中亟待解决的难题。
Z-pin技术主要是通过Z-pin与基体间的摩擦和互锁来实现抵抗层合板的层间分离力，有良好的效果。与3D编织、Z向缝合等增强技术相比，Z-pin技术与被增强体同体系，适用于预浸料层合复合材料，具有植入密度可控、可设计性强、增强效果显著等特点；现有Z-pin技术可以极大程度地提升复合材料的层间连接强度与层间韧性，但不能解决层间失效的问题。
为了有效解决层间失效问题，基于自然界中的生物材料的启示，现有的比较典型的仿生结构有：珍珠层的“砖-泥混合”结构、牙釉质的多级分层结构，但是上述结构通常包含组成和排列复杂的微纳生物材料以及异质材料间的复杂化学键连接，并不适用于宏观尺度的复合材料。
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基于仿生互锁的Z-pin、复合材料及其制备方法，旨在解决现有复合材料不兼有层间连接强度、层间韧性与抗层间剥离性能的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于仿生互锁的Z-pin，其中，包括Z-pin主体，所述Z-pin主体为下部设有尖端的圆柱体；凸脊，所述凸脊呈矩阵排列围绕设置在所述圆柱体上；所述凸脊的上部的切线与所述Z-pin轴线之间的夹角大于所述凸脊的下部的切线与所述Z-pin轴线之间的夹角。
一种如上所述的基于仿生互锁的Z-pin的制备方法，其中，包括步骤：
提供模具，所述模具由两个长方体组成，所述长方体中间设有半个所述Z-pin形状的凹槽，两个长方体的凹槽是对称设置的；
向所述模具中填充Z-pin材料，经模压，得到所述Z-pin。
一种复合材料的制备方法，其中，包括步骤：
将如上所述的基于仿生互锁的Z-pin以一定密度竖直植入泡沫，得到泡沫预制件；所述泡沫包括上、下两层，上层泡沫的密度小于下层泡沫的密度；
将泡沫预制件置于含有纤维的预浸料中，经热压或超声，使所述Z-pin转移到预浸料铺层中，得到嵌入所述Z-pin的预浸料层合板，经固化处理，得到所述复合材料。
一种复合材料，其中，采用如上所述的制备方法制备而成。
有益效果：本发明提供一种基于仿生互锁的Z-pin、复合材料及其制备方法，本发明通过在Z-pin主体的上部设置呈矩阵排列的凸脊，所述凸脊的上部的切线与所述Z-pin轴线之间的夹角大于所述凸脊的下部的切线与所述Z-pin轴线之间的夹角；使形成的Z-pin与基体摩擦和粘结的同时，可与基体进行钩连与锁合形成互锁结构，该互锁结构提供额外的锁合力来抵御两者形成的复合材料的层间失效；此外，具有下部设有尖端的圆柱体结构的Z-pin主体与基体间的摩擦力小，有利于Z-pin快速植入基体。
附图说明
图1为本发明实施方式中，鸟羽毛的级联滑锁系统的结构示意图。
图2为本发明实施方式中，一种基于仿生互锁的Z-pin的立体图。
图3为本发明实施方式中，一种基于仿生互锁的Z-pin的俯视图。
图4为本发明实施方式中，一种基于仿生互锁的Z-pin的剖视图。
图5为本发明实施方式中，一种制备基于仿生互锁的Z-pin采用的模具的结构示意图。
图6为本发明实施方式中，一种复合材料的立体结构示意图。
图7为图6的局部放大图。
具体实施方式
为了有效解决层间失效问题，基于自然界中的生物材料的启示，现有的比较典型的仿生结构有：珍珠层的“砖-泥混合”结构、牙釉质的多级分层结构，但是上述结构通常包含组成和排列复杂的微纳生物材料以及异质材料间的复杂化学键连接，并不适用于宏观尺度的复合材料。
如图1所示，鸟羽毛的级联滑锁系统是由羽毛近端羽小枝12的凸脊和远端羽小枝11的小钩形成的紧密结构，可以保证鸟类在复杂飞行状态下仍然保持羽毛的整体性和抗撕裂性能，避免羽毛在混乱的气流中分开而影响飞行。此外，在极端恶劣的飞行情况下，被破坏和撕裂的羽毛也可以通过鸟喙进行整理而恢复到原来完整的状态。受鸟类羽毛的级联滑锁系统启发，为了采取更加简便、高效的方式提高复合材料的层间性能，发明人拟采用鸟类羽毛的羽小钩结构与传统Z-pin相结合，实现具有高强层间性能的复合材料。为此，本发明提供一种基于仿生互锁的Z-pin、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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参阅图2至图4，本发明实施例提供一种基于仿生互锁的Z-pin，包括Z-pin主体，所述Z-pin主体为下部设有尖端的圆柱体；凸脊，所述凸脊呈矩阵排列围绕设置在所述圆柱体上；所述凸脊的上部的切线与所述Z-pin轴线之间的夹角大于所述凸脊的下部的切线与所述Z-pin轴线之间的夹角。
具体地，所述尖端可通过切削圆柱体的下端等方式形成，所述尖端在圆柱体下端圆形平面的设置位置不做限定，如可设置在圆柱体下端的中心位置，也可设置在边缘位置等。所述凸脊的上部和下部的形状不做限定，如所述凸脊的上部和下部可设置成与所述Z-pin轴线的夹角符合上述限定的两个连接平面、曲面等，如圆锥体、椭球体。
本实施例中，通过在Z-pin主体的上部设置有呈矩阵排列的凸脊，所述凸脊的上部的切线与所述Z-pin轴线之间的夹角大于所述凸脊的下部的切线与所述Z-pin轴线之间的夹角；使形成的Z-pin与基体摩擦和粘结的同时，可与基体进行钩连与锁合形成互锁结构，该互锁结构提供额外的锁合力来抵御两者形成的复合材料的层间失效；此外，具有下部设有尖端的圆柱体结构的Z-pin主体的下部的尖端有利于本发明的Z-pin快速植入基体。
在一种实施方式中，所述Z-pin为一体型。
在一种实施方式中，如图2至图4，所述Z-pin主体21的上部为圆柱体211，所述Z-pin主体的下部可为尖端向下的第一圆锥体212；所述凸脊22的上部可为第二圆锥体221，所述凸脊的下部可为椭球体222。
更具体地，如图4所示，设p为所述凸脊22的上部与下部的分界，z为所述Z-pin轴线，所述第二圆锥体221的切线x与所述Z-pin轴线z的夹角为∠a，所述椭球体222下端处的切线y与所述Z-pin轴线z的夹角为∠b；∠a大于∠b。所述凸脊22的上部的切线x与所述Z-pin轴线z的夹角∠a较大，以便更好地模仿鸟羽毛的级联滑锁系统的抗分离性，从而进一步增加基体(如纤维束)与仿生凸脊结构的摩擦力，用来对抗更大的层间分离力；所述凸脊22的下部的切线y与所述Z-pin轴线z的夹角∠b较小，以便更好地模仿鸟羽毛的级联滑锁系统的重建能力，可以使所述Z-pin更容易地嵌入在基体的预浸料中，避免在植入基体过程中造成损伤，影响复合材料的性能。
进一步在一种实施方式中，所述凸脊22的上部的切线与所述Z-pin轴线的夹角∠a为70～80°；所述所述凸脊22的下部的切线与所述Z-pin轴线的夹角∠b为30～45°。
在一种实施方式中，所述圆柱体211的直径为0.4～1.2mm。例如，所述圆柱体211的直径可为0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm等系列。
在一种实施方式中，相邻两个所述凸脊22之间的间隔为0.3～1.7mm。仅作为举例，所述凸脊22可按照每层4个呈矩阵形式排列在所述圆柱体211上，每层所述凸脊的间隔0.8mm，层数可根据所述Z-pin的整体长度进行设置。
在一种实施方式中，所述Z-pin材料可为但不限于钛合金、铝合金、不锈钢或纤维增强树脂基复合材料。例如，所述Z-pin材料可为碳纤维增强树脂基复合材料、玻璃纤维增强树脂基复合材料等。
本发明实施例还提供一种如上任意所述的基于仿生互锁的Z-pin的制备方法，其中，包括步骤：
提供模具，例如，一种模具的结构如图5所示，所述模具由两个长方体31组成，所述长方体中间设置有半个所述Z-pin形状的凹槽32，两个长方体31的凹槽32对称设置；
向所述模具中填充Z-pin材料，经模压，得到所述Z-pin。
本实施例中，采用模压工艺制备所述Z-pin的可行性强，利于实现商业化生产。
本发明实施例还提供一种复合材料的制备方法，其中，包括步骤：
将如上任意所述的基于仿生互锁的Z-pin以一定的密度竖直植入泡沫，得到泡沫预制件；所述泡沫包括上、下两层，上层泡沫的密度小于下层泡沫的密度；
将泡沫预制件置于含有纤维的预浸料中，经热压或超声，使所述Z-pin转移到预浸料铺层中，得到嵌入所述Z-pin的预浸料层合板，经固化处理，得到所述复合材料。
在一种实施方式中，所述纤维可以为但不限于碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、尼龙纤维、聚乙烯纤维的一种或多种。预浸料铺层包括纤维铺层，纤维铺层可以为单向纤维布、双向纤维布(平纹布、斜纹布、缎纹布等)，相邻两层间的纤维布角度可以变化；预浸料还包括树脂，树脂可选自但不限于环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂、聚酰胺和聚乙烯中的至少一种；此时，预浸料铺层为纤维铺层与树脂制成的组合物。例如，将泡沫预制件置于纤维中，经热压或超声、固化处理，可得到的纤维型复合材料；其结构如图6、7所示，可知。设置有凸脊22的所述Z-pin2可通过与纤维4(基体)进行钩连与锁合从而形成互锁结构，该互锁结构提供的额外锁合力来抵御两者形成的复合材料的层间失效。
需要说明的是，可根据不同的需求，通过控制所述Z-pin的分布密度，排布方式，插入方向制成不同的泡沫预制件。较低密度的上层泡沫，在嵌入所述Z-pin前起到支撑作用；较高密度的下层泡沫可防止所述Z-pin在受力的情况下发生弯曲。
在一种实施方式中，所述泡沫材料选自聚氨酯泡沫、EPE、聚苯泡沫、聚乙烯泡沫和酚醛泡沫中的至少一种。例如，采用可发性聚乙烯(Expandable Polyethylene，EPE)作为泡沫材料。
本发明实施例还提供一种纤维复合材料，其中，采用如上所述的制备方法制备而成。
本实施例中，通过将所述Z-pin的凸脊与复合材料的基体材料(如纤维束、未固化的纤维铺层或预浸料铺层)的相互锁合与钩连，形成类似于鸟类羽毛的级联滑锁结构，增强了复合材料的层间破坏难度，从而实现增强复合材料的层间性能的目的，例如，与传统的层合板复合材料相比，所述Z-pin的体积分数分别为0.44％、1.77％的上述复合材料，其Ⅰ型层间断裂韧性分别提高200％和700％，Ⅱ型层间断裂韧性分别提高40％和150％；改变所述Z-pin的分布密度、排布方式，以及插入方向等参数，可以改变所述Z-pin的桥联力，进而改变基体的抗剥离性能。
综上所述，本发明提供一种基于仿生互锁的Z-pin、复合材料及其制备方法，本发明通过在Z-pin主体的上部设置有呈矩阵排列的凸脊，所述凸脊的上部的切线与所述Z-pin轴线之间的夹角大于所述凸脊的下部的切线与所述Z-pin轴线之间的夹角；使形成的Z-pin与基体摩擦和粘结的同时，可与基体进行钩连与锁合形成互锁结构，该互锁结构提供额外的锁合力来抵御两者形成的复合材料的层间失效，例如，与传统的层合板复合材料相比，所述Z-pin的体积分数分别为0.44％、1.77％的上述复合材料，其Ⅰ型层间断裂韧性分别提高200％和700％，Ⅱ型层间断裂韧性分别提高40％和150％；此外，具有下部设有尖端的圆柱体结构的Z-pin主体与基体间的摩擦力小，有利于本发明的Z-pin快速植入基体。
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)

1.一种基于仿生互锁的Z-pin，其特征在于，包括Z-pin主体，所述Z-pin主体为下部设有尖端的圆柱体；凸脊，所述凸脊呈矩阵排列围绕设置在所述圆柱体上；所述凸脊的上部的切线与所述Z-pin轴线之间的夹角大于所述凸脊的下部的切线与所述Z-pin轴线之间的夹角。
2.根据权利要求1所述的基于仿生互锁的Z-pin，其特征在于，所述Z-pin主体的上部为圆柱体，所述Z-pin主体的下部为尖端向下的第一圆锥体；所述凸脊的上部为第二圆锥体，所述凸脊的下部为椭球体。
3.根据权利要求1所述的基于仿生互锁的Z-pin，其特征在于，所述凸脊的上部的切线与所述Z-pin轴线的夹角为70～80°；所述凸脊的下部的切线与所述Z-pin轴线的夹角为30～45°。
4.根据权利要求1所述的基于仿生互锁的Z-pin，其特征在于，所述圆柱体的直径为0.4～1.2mm。
5.根据权利要求1所述的基于仿生互锁的Z-pin，其特征在于，相邻两个所述凸脊之间的间隔为0.3～1.7mm。
6.根据权利要求1所述的基于仿生互锁的Z-pin，其特征在于，所述Z-pin材料为钛合金、铝合金、不锈钢或纤维增强树脂基复合材料。
7.一种如权利要求1～6任意一项所述的基于仿生互锁的Z-pin的制备方法，其特征在于，包括步骤：
提供模具，所述模具由两个长方体组成，所述长方体中间设置有半个所述Z-pin形状的凹槽，两个长方体的凹槽对称设置；
向所述模具中填充Z-pin材料，经模压，得到所述Z-pin。
8.一种复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
将如权利要求1～6任意一项所述的基于仿生互锁的Z-pin以一定的密度竖直植入泡沫，得到泡沫预制件；所述泡沫包括上、下两层，上层泡沫的密度小于下层泡沫的密度；
将泡沫预制件置于含有纤维的预浸料中，经热压或超声，使所述Z-pin转移到预浸料铺层中，得到嵌入Z-pin的预浸料层合板，经固化处理，得到所述复合材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述泡沫材料选自聚氨酯泡沫、聚苯泡沫、聚乙烯泡沫和酚醛泡沫中的至少一种。
10.一种复合材料，其特征在于，采用如权利要求8或9所述的制备方法制备而成。
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