CN112874032A - 一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，所述纤维复合材料基于龙虾角质层非线性螺旋铺排结构，由纤维树脂层螺旋铺叠而成，所述螺旋纤维树脂层沿中心轴按非线性旋转角度交替铺叠，其中第n组螺旋纤维树脂层数小于第n+1组螺旋纤维树脂层数，n≥1，n为奇数。本发明的仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，仿照龙虾角质层的非线性纤维铺排结构，可良好的抵抗纤维复合材料所受的剪切力，由于纤维非线性螺旋铺排，相邻层间裂纹方向会发生改变，提高该结构抗冲击性能以及抗裂纹性能。

Description

一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料
技术领域
本发明涉及新材料领域中的复合材料技术，尤其涉及一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料。
背景技术
随着航天领域、汽车技术的飞速发展，对于轻质、抗裂纹性能的材料要求越来越高。其中，纤维复合材料具有质量轻、力学性能好等特点，在现代各种工程技术领域的应用越来越广泛。
由于传统的纤维复合材料的铺排结构较为单一，与金属材料相比，其抵抗裂纹的性能难以找到有效的方法提升，且强度较差。而汽车、飞机等速度较高的交通工具往往要求的抵抗裂纹性能较高。因此，如何使纤维复合材料在满足高抗裂纹性能的前提下实现轻量化，是我们当今工程材料所面临的首要问题。
科研人员在仿生学研究过程中发现自然界的某些生物结构具有良好的抵抗裂纹、强度高等特殊的优异性能，其中：龙虾角质层非线性旋转角度和上部螺旋纤维树脂层数小于下部螺旋纤维树脂层数的纤维铺排结构具有良好的抗裂纹性能及层间韧性。
因此，通过对龙虾的结构特性研究与分析，为得到一种新型的纤维铺排结构提供了良好的思路；通过对其生物特性进行仿生，为仿生纤维复合材料的铺排结构提供了良好的方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，通过采用仿生的纤维铺排结构，提高纤维复合材料的抗裂纹性能及强度。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明提供了一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，所述纤维复合材料基于龙虾角质层非线性螺旋铺排结构，由纤维树脂层螺旋铺叠而成，所述螺旋纤维树脂层沿中心轴按非线性旋转角度交替铺叠，其中第n组螺旋纤维树脂层数小于第n+1组螺旋纤维树脂层数，n≥1，n为奇数。
进一步地，所述螺旋纤维树脂层的旋转角度x满足螺旋-震荡函数
Figure BDA0002897345360000021
进一步地，所述螺旋纤维树脂层的螺旋角度y满足螺旋-递增函数
Figure BDA0002897345360000022
进一步地，所述螺旋纤维树脂层的螺旋角度z满足螺旋-指数函数 zi＝ci，i＝1，2，3......，2≤c≤3。
进一步地，每组螺旋纤维树脂层为顺时针螺旋铺排或逆时针螺旋铺排。
进一步地，每组螺旋纤维树脂层同为顺时针螺旋铺排或同为逆时针螺旋铺排。
进一步地，每组螺旋纤维树脂层能够以相同底数的同一螺旋函数螺旋铺排。
进一步地，每组螺旋纤维树脂层能够以不同底数的同一螺旋函数螺旋铺排。
进一步地，每组螺旋纤维树脂层能够以不同螺旋函数螺旋铺排。
进一步地，第n组螺旋纤维树脂层与第n+1组螺旋纤维树脂层组成一组递增螺旋纤维树脂层组，n≥1，n为奇数。
本发明的有益效果为：
1、本发明的仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，仿照龙虾角质层的非线性纤维铺排结构，可良好的抵抗纤维复合材料所受的剪切力，由于纤维非线性螺旋铺排，相邻层间裂纹方向会发生改变，提高该结构抗冲击性能以及抗裂纹性能。
2、本发明的仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，其中非线性旋转角度满足螺旋-震荡函数时，层间角度呈阶梯式变化，结构受到冲击时，延长裂纹的传播路径，使得该结构抗裂纹性能较传统复合材料提升≥10％。
3、本发明的仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，其中非线性旋转角度满足螺旋-递增函数时，层间角度呈倍数关系逐渐增大，能够承受更大的剪切力，使得该结构剪切应变较传统复合材料降低≥20％。
4、本发明的仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，其中非线性旋转角度满足螺旋-指数函数，层间角度变化为指数形式增加，结构受到破坏时受到损伤的面积减小，使得该结构抗剪切强度较传统复合材料提升≥10％。
5、本发明的仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，第一组螺旋纤维树脂层数比第二组螺旋纤维树脂层数少，造成裂纹的分层、桥接等扩散机制，裂纹扩散能效消耗更多，使得该结构的抗冲击性能较传统复合材料提升≥ 15％。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为龙虾角质层非线性旋转角度螺旋纤维结构示意图，其中图片右侧为虚线圆圈处放大的纤维铺排示意图，白色箭头表示纤维铺排方向，括号内表示旋转180°时纤维层厚度；
图2a为本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料中螺旋-震荡函数同底同向纤维铺排结构示意图；
图2b为本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料中螺旋-震荡函数异底同向纤维铺排结构示意图；
图2c为本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料中螺旋-震荡函数同底异向纤维铺排结构示意图；
图2d为本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料中螺旋-震荡函数异底异向纤维铺排结构示意图；
图3a为本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料中螺旋-递增函数同底同向纤维铺排结构示意图；
图3b为本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料中螺旋-递增函数异底同向纤维铺排结构示意图；
图3c为本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料中螺旋-递增函数同底异向纤维铺排结构示意图；
图3d为本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料中螺旋-递增函数异底异向纤维铺排结构示意图；
图4a为本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料中螺旋-指数函数同底同向纤维铺排结构示意图；
图4b为本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料中螺旋-指数函数异底同向纤维铺排结构示意图；
图4c为本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料中螺旋-指数函数同底异向纤维铺排结构示意图；
图4d为本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料中螺旋-指数函数异底异向纤维铺排结构示意图；
图5a为本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料中螺旋-震荡、递增函数组合同向纤维铺排结构示意图；
图5b为本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料中螺旋-震荡、递增函数组合异向纤维铺排结构示意图；
图6a为本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料中螺旋-震荡、指数函数组合同向纤维铺排结构示意图；
图6b为本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料中螺旋-震荡、指数函数组合异向纤维铺排结构示意图；
图7a为本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料中螺旋-递增、指数函数组合同向纤维铺排结构示意图；
图7b为本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料中螺旋-递增、指数函数组合异向纤维铺排结构示意图；
附图标记说明：
1、第n组螺旋纤维树脂层；2、第n+1组螺旋纤维树脂层；
附图中箭头表示当前纤维树脂层组螺旋方向。
具体实施方式
本发明提供的一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，是基于龙虾角质层非线性螺旋铺排结构，如图1所示，由纤维树脂层螺旋铺叠而成，所述螺旋纤维树脂层沿中心轴按非线性旋转角度交替铺叠，其中第n组螺旋纤维树脂层数小于第n+1组螺旋纤维树脂层数，n≥1，n为奇数。
所述纤维树脂层的纤维铺排旋转角度采用三种铺排方式：
第一种铺排方式，所述螺旋纤维树脂层基于龙虾角质层非线性螺旋铺排结构，采用非线性旋转角度交替铺叠，其中：螺旋角度x满足螺旋-震荡函数
Figure BDA0002897345360000051
如图2所示。
第二种铺排方式，所述螺旋纤维树脂层基于龙虾角质层非线性螺旋铺排结构，采用非线性旋转角度交替铺叠，其中：螺旋角度y满足螺旋-递增函数
Figure BDA0002897345360000052
如图3所示。
第三种铺排方式，所述螺旋纤维树脂层基于龙虾角质层非线性螺旋铺排结构，采用非线性旋转角度交替铺叠，其中：螺旋角度z满足螺旋-指数函数 zi＝ci，i＝1，2，3......，2≤c≤3。如图4所示。
其中，所述每组螺旋纤维树脂层同为顺时针螺旋铺排或同为逆时针螺旋铺排；所述每组螺旋纤维树脂层分别为顺时针或逆时针螺旋铺排。所述每组螺旋纤维树脂层能够以相同底数的同一螺旋函数螺旋铺排；所述每组螺旋纤维树脂层能够以不同底数的同一螺旋函数螺旋铺排；所述每组螺旋纤维树脂层能够以不同螺旋函数螺旋铺排。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
需要说明的是，本文所使用的术语“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1
本实例1公开了一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料。本发明的仿生铺排结构纤维复合材料来源于如图1所示龙虾角质层非线性旋转角度螺旋纤维结构，设计得出如图2所示仿生纤维铺排结构，其中：图2中，螺旋纤维树脂层旋转角度x满足螺旋-震荡函数
Figure BDA0002897345360000061
本实例中a＝±30°和±45°仿生铺排结构的高强抗裂纹性能纤维复合材料由螺旋纤维树脂层按螺旋-震荡函数螺旋角度铺叠而成。
其中，以垂直于螺旋纤维树脂层中心的中心线为轴，所述第一组螺旋纤维树脂层以4个铺层为一个旋转周期，第二组螺旋纤维树脂层以6个铺层为一个旋转周期。
本实例1中，仿龙虾角质层非线性螺旋结构可减缓裂纹扩展，起到抗击变形以的作用，改变相邻纤维铺排方向，可稍微分裂剪切力所产生的裂纹，使得纤维复合材料的抗裂纹性提高≥30％。
实施例2：
本实例2公开了一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料。本发明的仿生铺排结构纤维复合材料来源于如图1所示龙虾角质层非线性旋转角度螺旋纤维结构，设计得出如图3所示仿生纤维铺排结构，其中：图3中，螺旋纤维树脂层旋转角度y满足螺旋-递增函数
Figure BDA0002897345360000062
本实例中b＝±10°和±15°。所述仿生铺排结构的高强抗裂纹性能纤维复合材料由螺旋纤维树脂层按螺旋-递增函数螺旋角度铺叠而成。
其中，以垂直于螺旋纤维树脂层中心的中心线为轴，所述第一组螺旋纤维树脂层以4个铺层为一个旋转周期，第二组螺旋纤维树脂层以6个铺层为一个旋转周期。
本实例2中，仿龙虾角质层非线性螺旋结构可减缓裂纹扩展，起到抗击变形的作用，改变相邻纤维铺排方向，可分裂剪切力所产生的裂纹，使得纤维复合材料的抗裂纹性提高≥40％。
实施例3
本实例3公开了一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料。本发明的仿生铺排结构纤维复合材料来源于如图1所示龙虾角质层非线性旋转角度螺旋纤维结构，设计得出如图4所示仿生纤维铺排结构，其中：图4中，螺旋纤维树脂层旋转角度z满足螺旋-指数函数 zi＝ci(1≤i≤6，2≤c≤3，i为整数，zi＝0)，本实例中c＝2和3。所述仿生铺排结构的高强抗裂纹性能纤维复合材料由螺旋纤维树脂层按螺旋-指数函数螺旋角度铺叠而成。
其中，以垂直于螺旋纤维树脂层中心的中心线为轴，所述第一组螺旋纤维树脂层以4个铺层为一个旋转周期，第二组螺旋纤维树脂层以6个铺层为一个旋转周期。
本实例3中，仿龙虾角质层非线性螺旋结构可减缓裂纹扩展，起到抗击变形的作用，改变相邻纤维铺排方向，可良好分裂剪切力所产生的裂纹，使得纤维复合材料的抗裂纹性提高≥50％。
实施例4
本实例4公开了一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料。本发明的仿生铺排结构纤维复合材料来源于如图1所示龙虾角质层非线性旋转角度螺旋纤维结构，设计得出如图5、6、7所示仿生纤维铺排结构，其中：图5、 6、7中，螺旋纤维树脂层由三种螺旋函数组合铺叠而成，本实例中a＝30°， b＝±10°，c＝3。
其中，以垂直于螺旋纤维树脂层中心的中心线为轴，所述第一组螺旋纤维树脂层以4个铺层为一个旋转周期，第二组螺旋纤维树脂层以6个铺层为一个旋转周期。
本实例4中，仿龙虾角质层非线性螺旋结构可减缓裂纹扩展，起到抗击变形的作用，改变相邻纤维铺排方向，可显著分裂剪切力所产生的裂纹，使得纤维复合材料的抗裂纹性提高≥60％。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，其特征在于，所述纤维复合材料基于龙虾角质层非线性螺旋铺排结构，由纤维树脂层螺旋铺叠而成，所述螺旋纤维树脂层沿中心轴按非线性旋转角度交替铺叠，其中第n组螺旋纤维树脂层数小于第n+1组螺旋纤维树脂层数，n≥1，n为奇数。
2.根据权利要求1所述的仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，其特征在于，所述螺旋纤维树脂层的旋转角度x满足螺旋-震荡函数
Figure FDA0002897345350000011
i＝1，2，3......，-90°≤a≤90°，x0＝0。
3.根据权利要求1所述的仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，其特征在于，所述螺旋纤维树脂层的螺旋角度y满足螺旋-递增函数
Figure FDA0002897345350000012
i＝1，2，3......，-90°≤b≤90°，y0＝0。
4.根据权利要求1所述的仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，其特征在于，所述螺旋纤维树脂层的螺旋角度z满足螺旋-指数函数zi＝ci，i＝1，2，3......，2≤c≤3。
5.根据权利要求1所述的仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，其特征在于，每组螺旋纤维树脂层为顺时针螺旋铺排或逆时针螺旋铺排。
6.根据权利要求1所述的仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，其特征在于，每组螺旋纤维树脂层同为顺时针螺旋铺排或同为逆时针螺旋铺排。
7.根据权利要求1所述的仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，其特征在于，每组螺旋纤维树脂层能够以相同底数的同一螺旋函数螺旋铺排。
8.根据权利要求1所述的仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，其特征在于，每组螺旋纤维树脂层能够以不同底数的同一螺旋函数螺旋铺排。
9.根据权利要求1所述的仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，其特征在于，每组螺旋纤维树脂层能够以不同螺旋函数螺旋铺排。
10.根据权利要求1所述的仿龙虾角质层结构与功能的纤维复合材料，其特征在于，第n组螺旋纤维树脂层与第n+1组螺旋纤维树脂层组成一组递增螺旋纤维树脂层组，n≥1，n为奇数。
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