CN113445667B - 一种仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材 - Google Patents

Abstract

本发明所提供的一种仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材，其中包括：依次设置的上压板、中部夹芯层以及下底板；所述中部夹芯层包括：若干个仿竹子吸能单元，所述仿竹子吸能单元包括：圆柱筒状胞元组件；超分子量纤维束，位于所述圆柱筒状胞元组件内；以及吸能圈，设置于所述圆柱筒状胞元组件外。本发明模仿竹子的结构，设置仿竹子吸能单元，作为中部夹芯的支撑骨架，提高夹芯板材的整体结构强度，并进行能量吸收；中空结构又可有效减轻自重，决定着板材的性能效果，通过仿竹子吸能单元与上压板、下底板的结合，使得吸能防护夹芯板材兼具吸能特性、轻质的特点，在吸能防护材料领域具有良好的应用前景。

Description

一种仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材

技术领域

本发明涉及吸能防护材料领域，特别涉及一种吸能防护材料领域的仿竹子梯度变异结构的夹芯板材。

背景技术

吸能材料一直是防护领域十分关注的研究主题，尤其是单兵防护、施工安全以及运输包装等诸多领域，对具有高吸能特性的轻量化材料的需求与日俱增，夹芯板材由于强度高、质量轻和成本低等优点而在飞机制造、列车厢体和建筑装饰等领域得到广泛应用。

高吸能材料往往密度大，导致单位体积材料的重量增加，而轻量化材料通常又不具有理想的吸能效果，高吸能和轻量化两者难以兼得一直是防护材料领域面临的重要挑战。如何通过结构设计与组合优化，使夹芯板材在保持整体轻量化的基础上，达到高效吸能的效果，从而实现轻质吸能兼备的目标，这是材料研究人员亟待解决的技术难题。

因此，现有技术还有待改进和提高。

发明内容

针对现有技术缺陷，本发明提供一种仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材，将竹子梯度变异结构用于夹芯板材的设计中，可以实现材料整体的轻量化和增强材料的能量吸收能力，旨在解决传统防护材料轻质吸能难以兼备的技术难题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

本发明提供了仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材，包括：依次设置的上压板、中部夹芯层以及下压板，所述中部夹芯层包括：若干个仿竹子吸能单元，所述仿竹子吸能单元包括：圆柱筒状胞元组件；超高分子量纤维束，位于所述圆柱筒状胞元组件内；以及吸能圈，设置于所述圆柱筒状胞元组件外。

进一步地，所述所述上压板的厚度和所述下压板的厚度相等，所述上压板的厚度不超过所述中部夹芯层厚度的1/9。

进一步地，所述上压板和所述下压板均为超高分子量聚乙烯板。

进一步地，所述圆柱筒状胞元组件包括：若干个不同直径的圆柱筒状胞元，若干个所述圆柱筒状胞元同心设置；相邻两个所述圆柱筒状胞元之间具有间隙，所述超高分子量纤维束均布于所述间隙内。

进一步地，从所述圆柱筒状胞元组件的外部到内部，所述圆柱筒状胞元的质量密度逐渐减小；和/或所述圆柱筒状胞元的厚度逐渐减小。

进一步地，从所述圆柱筒状胞元组件的外部到内部，所述超高分子量纤维束的数量逐渐减小。

进一步地，所述吸能圈为超高分子量聚乙烯纤维编织成类圆环结构，所述吸能圈位于所述圆柱筒状胞元组件的中间位置，所述吸能圈的厚度为所述中部夹芯层厚度的15％。

进一步地，所述吸能圈内设置有无序孔状空腔，所述无序孔状空腔通过孔变形吸收能量。

进一步地，所述无序孔状空腔的体积不超过所述吸能圈总体积的5％，所述无序孔状空腔为球形或椭球形。

进一步地，一种仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材的制备方法，并包括以下步骤：所述上压板、所述下压板以及所述中部夹芯层，用热压法依次相连接；所述吸能圈和所述圆柱筒状胞元，用热压法连接为一个整体；所述圆柱筒状胞元和所述超高分子量纤维束，用注射成型的方法加工为一个整体。

有益效果：本发明在中部夹芯层设置若干个仿竹子吸能单元，所述仿竹子吸能单元包括圆柱筒状胞元组件、位于所述圆柱筒状胞元组件内的超高分子量纤维束以及设置于所述圆柱筒状胞元组件外的吸能圈，形成了基于竹子的吸能防护夹芯板材。本发明模仿竹子的结构，设置仿竹子吸能单元，作为中部夹芯的支撑骨架，提高夹芯板材的整体结构强度，并进行能量吸收；中空结构又可有效减轻自重，决定着板材的性能效果，通过仿竹子吸能单元与上压板、下压板的结合，使得吸能防护夹芯板材兼具吸能特性、轻质的特点，在吸能防护材料领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的一种仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材结构示意图；

图2为本发明提供的一种仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材中部夹芯层的吸能单元结构示意图；

图3为本发明提供的一种仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材中部夹芯层的吸能单元结构正视图；

图4为本发明提供的一种仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材中部夹芯层的吸能单元结构俯视图。

图中，1、上压板；2、中部夹芯层；21、吸能圈；22、超高分子量纤维束；23、圆柱筒状胞元；3、下压板。

具体实施方式

本发明提供一种基于竹子的仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材及其制备方法，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。

自然环境中的竹子形态细而长，长细比一般在150-260之间，有少数品种的竹子长细比会更大，例如巨龙竹植株高度可达30m以上，直径在30cm左右，不仅可以承受自身的重量和生长环境施加的载荷，表现出优异的能量吸收性能，还具有非常典型的中空结构，在满足运输水分和营养物质需求的同时，有效地减轻了自重，达到了轻量化的效果。研究发现，竹子的地面组织连接维管束，维管束嵌在木制基质中，竹子将能量载荷通过维管束传递给地面组织，以此提高竹子自身的载荷传递和能量吸收效率。抵抗冲击载荷的能力由维管束的梯度分布决定，维管束的数量分布沿竹子横截面径向由外侧向内侧逐渐减少，载荷沿径向从外层到内层逐渐减小，有效地提高了维管束密集区域的载荷承载效率，而维管束的稀疏区域则对载荷起到了缓冲效果，从而提高了能量吸收的能力。研究发现，在竹子样品含水率为38.7％的情况下，将竹子的横截面沿着径向分为三个区域，竹材从外到内密度之比约为2:1:1。此外，研究结果表明，截取带有竹节结构和不带有竹节结构的等长竹子样品，对其施加相同的冲击载荷，带有竹节结构的样品具有更好的结构完整性，原因在于竹节处的秆环结构有效地阻滞了能量载荷的传递，激发了第二峰值，增加了其抵抗冲击载荷的能力。同时，观察竹节秆环的微观结构发现，竹节内部包含大量无序的维管束纤维和由薄壁细胞形成的多边形空腔，这些结构增强了竹节的能量吸收能力，使其足够强韧以抵抗冲击载荷。基于以上背景，将竹子梯度变异结构用于夹芯板材的设计中不仅可以实现材料整体的轻量化，同时还可以增强材料的能量吸收能力，从而得到兼具轻质吸能特性的仿生防护夹芯板材。

基于竹子的结构特点，请参见图1至图4，本发明提供了一种基于竹子的仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材及其制备方法，包括依次设置的上压板1、中部夹芯层2以及下压板3，中部夹芯层2位于上压板1和下压板3之间，中部夹芯层2包括若干个仿竹子吸能单元，中部夹芯层2由许多微小的吸能单元以阵列形式排布而成，吸能单元包括圆柱筒状胞元组件、超高分子量聚乙烯纤维束以及吸能圈21。由吸能单元组成的中部夹芯层2是本发明的主要功能层，仿竹管结构的仿竹子吸能单元，作为中部夹芯的支撑骨架，提高夹芯板材的整体结构强度，并进行能量吸收；中空结构又可有效减轻自重，决定着板材的性能效果，通过仿竹子吸能单元与上压板、下压板的结合，使得吸能防护夹芯板材兼具吸能特性、轻质的特点，在吸能防护材料领域具有良好的应用前景。

具体地，请参见图2至图4，所述上压板1、下压板3以及中部夹芯层2之间以热压的方式相连接，从而保证仿生防护夹芯板材的结构强度。具体地，根据竹茎结构，设置仿竹茎的圆柱筒状胞元组件，作为中部夹芯的支撑骨架，圆柱筒状胞元组件在芯层以方阵阵列形式排布，能够提高夹芯板材结构整体强度。

在实施方式中，如图所示，所述上压板1的厚度和所述下压板3的厚度相等，所述上压板1的厚度为所述中部夹芯层2厚度的1/9；具体地，上压板1和下压板的厚度相等，增加厚度在一定程度上可以提高夹芯板材整体的结构稳定性和抗冲击性能；上压板1及下压板的厚度设置为中部夹芯层2厚度的1/9能够在保证夹芯板材整体的结构稳定性和抗冲击性能的同时，效率较高。上压板1和下压板3在受到冲击时，会将冲击力转移到多个仿竹子吸能单元进行吸能，而不是集中在某一个仿竹子吸能单元，实现充分吸能，并提高了吸能效率，减小板材的受损的几率。此外，两者与中部夹芯层2结合，增大载荷受力面积，提高夹芯板材的结构强度，以保证仿生防护夹芯板材整体的稳定性。

在实施方式中，如图所示，所述上压板1和所述下压板3均为超高分子量聚乙烯板。具体地，所述上压板1、下压板3皆为超高分子量聚乙烯板，采用超高分子量聚乙烯板时，可以确保上压板1和下压板3具有较高的强度，提高上压板1和下压板3抗冲击性能。而且超高分子量聚乙烯板不易破裂，不容易损坏上压板1和下压板3之间的仿竹子吸能单元，防止仿竹子吸能单元受损而无法吸能。

在实施方式中，如图所示，所述圆柱筒状胞元组件包括：若干个不同直径的圆柱筒状胞元23，若干个所述圆柱筒状胞元23同心设置；相邻两个所述圆柱筒状胞元23之间具有间隙，所述超高分子量纤维束22均布于所述间隙内。具体地，圆柱筒状胞元组件内可以有多个圆柱筒状胞元，在超高分子量纤维束在间隙内并与相邻两个圆柱筒状胞元连接，实现多个圆柱筒状胞元联合提高圆柱筒状胞元组件的强度，确保圆柱筒状胞元组件不易受损。而且通过多个圆柱筒状胞元和多个超高分子量纤维束的结合，可以从水平方向和竖直方向上确保圆柱筒状胞元组件结构的稳定性，具体地，由于在竖直方向上采用多个超高分子量纤维束，因此，圆柱筒状胞元组件在竖直方向上强度较高。由于在水平方向上多个圆柱筒状胞元通过超高分子量纤维束连接，确保多个圆柱筒状胞元联合提高圆柱筒状胞元组件在水平方向上的强度。

在实施方式中，如图所示，从所述圆柱筒状胞元组件的外部到内部，所述圆柱筒状胞元23的质量密度逐渐减小；和/或所述圆柱筒状胞元23的厚度逐渐减小。

具体地，圆柱筒状胞元23仿竹子茎身从外到内质量密度逐渐减小的特点，将圆柱筒状胞元23设置成质量密度逐渐减小，和/或厚度逐渐减小，由于外层的圆柱筒状胞元的质量密度较高，厚度较厚，则以确保内层的圆柱筒状胞元不受损坏，而内层的圆柱筒状胞元可以拓宽外层的圆柱筒状胞元的吸能范围，实现快速充分吸能。

在实施方式中，如图所示，从所述圆柱筒状胞元23组件的外部到内部，所述超高分子量纤维束22的数量逐渐减小。

具体地，超高分子量聚乙烯纤维束仿竹子内部木质基质中数量梯度分布的维管束，外层的纤维束密集区能够提高荷载承载效率，同时，内层的纤维束稀疏区能够起到缓冲荷载的作用，从而达到稳定吸能的作用。

在实施方式中，如图所示，所述吸能圈21为超高分子量聚乙烯纤维编织成类圆环结构，所述吸能圈21位于所述圆柱筒状胞元23组件的中间位置，所述吸能圈21的厚度为所述中部夹芯层2厚度的15％。

具体地，根据竹节处的秆环结构而设置的吸能圈，吸能圈环绕在胞元外壁中间位置，吸能圈21起到延长能量传播路径的作用，同时吸能圈21的存在延长了能量沿着胞元外壁传播的路径，减小了能量缓冲压力，对夹芯板材的整体结构形成有效保护。

在实施方式中，如图所示，所述吸能圈21内设置有无序孔状空腔，所述无序孔状空腔通过孔变形吸收能量。

具体地，吸能圈21内部为无序的孔状空腔，孔状空腔能够通过孔变形吸收能量，作用是保证了夹芯板材的吸能效果。

在实施方式中，如图所示，所述无序孔状空腔的体积不超过所述吸能圈21总体积的5％，所述无序孔状空腔为球形或椭球形。

具体地，吸能圈21的内部为无序的孔状空腔结构，该无序孔状空腔结构通过吹塑成型的方法实现；单个无序孔状空腔设置为球形或椭球形，球形或椭球形的空腔结构设置能够提高吸能效率及结构的稳定性；限制单个空腔体积不超过吸能圈21总体积的5％，空腔体积较小，不会降低结构强度，从而确保整体结构的稳定性。

在实施方式中，所述中部夹芯层2厚度(即圆柱筒状胞元23的高度)为40mm；所述上压板1及下压板3的厚度为4mm；圆柱筒状胞元23从内到外各环的内直径分别为16mm、22mm和28mm，圆柱筒状胞元23从内到外各环的厚度分别为1mm、1mm和2mm；超高分子量纤维束22的直径设为2mm，均匀地分布在同心圆柱筒壁之间的圆环状空隙中，从外到内共排列两环，外环排列8个，内环排列3个；吸能圈21厚度为5mm，最大外径为38mm，吸能单元之间的轴心距也为38mm，保证单元之间紧密接触。

在实施方式1中，所述中部夹芯层2厚度(即圆柱筒状胞元23高度)为30mm；所述上压板1及下压板3的厚度为3mm；圆柱筒状胞元23从内到外各环的内直径分别为10mm、16mm和22mm，圆柱筒状胞元23从内到外各环的厚度分别为1mm、1mm和2mm；超高分子量纤维束22的直径设为2mm，均匀地分布在同心圆柱筒壁之间的圆环状空隙中，从外到内共排列两环，外环排列5个，内环排列2个；吸能圈21厚度为4.5mm，最大外径为31mm，吸能单元之间的轴心距也为31mm，保证单元之间紧密接触。

进一步的，当中部夹芯层2厚度(即圆柱筒状胞元23高度)为30mm时，相比于中部夹芯层2厚度(即圆柱筒状胞元23的高度)为40mm，其吸能单元尺寸和板材厚度均减小、质量均减轻。实施方式2中的夹芯板材更加轻量化，但其吸能效果会相对减弱，适用于中等强度吸能要求的轻量化防护应用场景。

在实施方式2中，所述中部夹芯层2厚度(即圆柱筒状胞元23高度)为44mm，所述上压板1及下压板3的厚度为5mm；圆柱筒状胞元23从内到外各环的内直径分别为18mm、24mm和30mm，圆柱筒状胞元23从内到外各环的厚度分别为1mm、1mm和2mm；超高分子量纤维束22的直径设为2mm，均匀地分布在同心圆柱筒壁之间的圆环状空隙中，从外到内共排列两环，外环排列11个，内环排列4个；吸能圈21厚度为6mm，最大外径为42mm，吸能单元之间的轴心距也为42mm，保证单元之间紧密接触。

与实施方式1相比，在实施方式2中，吸能单元尺寸、板材厚度均增大，质量增加。此实施例中的夹芯板材轻量化程度有所减弱，但其吸能效果会相对增强，适用于高强度吸能要求但对轻量化要求不高的防护应用场景。

本发明将竹茎结构，竹节处的秆环结构而设置的吸能圈以及竹子内部木质基质中数量梯度分布的维管束有机结合，把竹子协同仿生的理念应用到吸能防护夹芯板材的设置中，实现了通过宏观增强(通过上压板和下压板实现)、微观增韧(通过仿竹子吸能单元实现)的协同作用，获得的复合材料层合板兼具高强度、高韧性和轻量化的特点，提升了吸能防护夹芯板材的性能，在吸能防护材料领域领域具有良好的应用前景。

综上，本发明所提供的一种仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材，其中通过上压板1、下压板3以及中部夹芯层2，及各部分的组成，对板材的中部夹芯层2进行优化设计，保证板材在保持整体轻量化的基础上，达到高效吸能的效果。

本发明还提供一种仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材的制备方法，包括以下步骤：

提供上压板、下压板；

采用注射成型制备仿竹子吸能单元；

将若干个仿竹子吸能单元排列形成中部夹芯层，并采用热压法连接所述上压板、所述下压板以及所述中部夹芯层。

具体包括：

采用注射成型一体制备圆柱筒状胞元组件及超高分子量纤维束；

采用注射成型制备吸能圈；

采用热压法连接圆柱筒状胞元组件和吸能圈，得到仿竹子吸能单元。

具体地，中部夹芯层2由吸能单元阵列排布而成，单元与单元之间紧密接触；中部夹芯层2与上压板1和下压板3之间通过热压的方式连接。中部夹芯层2的厚度决定着夹芯板材整体的吸能效果，增大芯层厚度可以提高吸能效果，但芯层厚度过大会引起夹芯板材结构的不稳定，降低夹芯板材的强度。因此根据不同的使用需求，应当选择适宜的夹芯层厚度。圆柱筒状胞元23和超高分子量纤维束22在生产制造时通过注射成型的方法加工为一个整体。吸能圈21仿竹节处的秆环结构而设置，吸能圈21由改良过的超高分子量聚乙烯微孔材料注射成型而成，环绕在胞元外壁纵向长度上1/2位置处；改良过的超高分子量聚乙烯微孔材料为传统超高分子量聚乙烯材料通过热致相分离法的方法实现对材料内部结构的改良而形成的功能性1材料。吸能圈21与圆柱筒状胞元23之间选用热压法将两个部分连接为一个整体。吸能圈21内部微孔结构通过改良过的超高分子量聚乙烯微孔材料内部的微孔结构来实现，所述无序孔状空腔的体积不超过吸能圈21总体积的5％，空腔为球形或椭球形。

综上所述，本发明所提供的一种仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材，其中包括：依次设置的上压板、中部夹芯层以及下压板；所述中部夹芯层包括：若干个仿竹子吸能单元，所述仿竹子吸能单元包括：圆柱筒状胞元组件；超高分子量纤维束，位于所述圆柱筒状胞元组件内；以及吸能圈，设置于所述圆柱筒状胞元组件外。本发明在中部夹芯层设置若干个仿竹子吸能单元，所述仿竹子吸能单元包括圆柱筒状胞元组件、位于所述圆柱筒状胞元组件内的超高分子量纤维束以及设置于所述圆柱筒状胞元组件外的吸能圈，形成了基于竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材。本发明模仿竹子的结构，根据其竹茎结构、竹子内部木质基质中数量梯度分布的维管束以及竹节处的秆环结构而设置的吸能圈，结构设置仿竹茎结构的圆柱筒状胞元、仿竹子内部木质基质中数量梯度分布的维管束以及仿竹节处的秆环结构而设置的吸能圈，将竹子的协同仿生的理念应用到吸能防护夹芯板材的设置中，获得的吸能防护夹芯板材兼具吸能特性、轻质的特点，在吸能防护材料领域具有良好的应用前景。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材的制备方法，其特征在于，所述仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材包括：

依次设置的上压板、中部夹芯层以及下压板；

所述中部夹芯层包括：若干个仿竹子吸能单元，所述仿竹子吸能单元包括：

圆柱筒状胞元组件；

超高分子量纤维束，位于所述圆柱筒状胞元组件内；以及

吸能圈，设置于所述圆柱筒状胞元组件外；

所述上压板和所述下压板均为超高分子量聚乙烯板；所述吸能圈位于所述圆柱筒状胞元组件的中间位置，所述吸能圈的厚度为所述中部夹芯层厚度的15％；所述吸能圈内设置有无序孔状空腔，所述无序孔状空腔通过孔变形吸收能量；

所述圆柱筒状胞元组件包括：

若干个不同直径的圆柱筒状胞元，若干个所述圆柱筒状胞元同心设置；

相邻两个所述圆柱筒状胞元之间具有间隙，所述超高分子量纤维束均布于所述间隙内；

从所述圆柱筒状胞元组件的外部到内部，所述圆柱筒状胞元的质量密度逐渐减小，所述圆柱筒状胞元的厚度逐渐减小，所述超高分子量纤维束的数量逐渐减小；

所述制备方法包括以下步骤：

提供上压板、下压板；

采用注射成型制备仿竹子吸能单元；

将若干个仿竹子吸能单元排列形成中部夹芯层，并采用热压法连接所述上压板、所述下压板以及所述中部夹芯层；

所述采用注射成型制备仿竹子吸能单元，包括：

采用注射成型一体制备圆柱筒状胞元组件及超高分子量纤维束；

采用注射成型制备吸能圈；其中，所述吸能圈由改良过的超高分子量聚乙烯微孔材料注射成型而成，改良过的超高分子量聚乙烯微孔材料为传统超高分子量聚乙烯材料通过热致相分离法的方法实现对材料内部结构的改良而形成的功能性材料，所述吸能圈内部微孔结构通过改良过的超高分子量聚乙烯微孔材料内部的微孔结构来实现；所述无序孔状空腔结构通过吹塑成型的方法实现；

采用热压法连接圆柱筒状胞元组件和吸能圈，得到仿竹子吸能单元。

2.根据权利要求1所述的仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材的制备方法，其特征在于，所述上压板的厚度和所述下压板的厚度相等，所述上压板的厚度不超过所述中部夹芯层厚度的1/9。

3.根据权利要求1所述的仿竹子梯度变异结构的吸能防护夹芯板材的制备方法，其特征在于，所述无序孔状空腔的体积不超过所述吸能圈总体积的5％，所述无序孔状空腔为球形或椭球形。

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