CN116512708A - 一种仿生功能复合夹芯抗爆结构及其制备方法与应用 - Google Patents

一种仿生功能复合夹芯抗爆结构及其制备方法与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN116512708A
CN116512708A CN202310399954.3A CN202310399954A CN116512708A CN 116512708 A CN116512708 A CN 116512708A CN 202310399954 A CN202310399954 A CN 202310399954A CN 116512708 A CN116512708 A CN 116512708A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bionic
functional composite
explosion
antiknock
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310399954.3A
Other languages
English (en)
Inventor
张攀
莫岱辉
胡鹏程
王坤
刘均
程远胜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN202310399954.3A priority Critical patent/CN116512708A/zh
Publication of CN116512708A publication Critical patent/CN116512708A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/02—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by structural features of a fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/04—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/18—Layered products comprising a layer of metal comprising iron or steel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/20—Layered products comprising a layer of metal comprising aluminium or copper
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/06—Layered products comprising a layer of synthetic resin as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B3/00—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar form; Layered products having particular features of form
    • B32B3/10—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar form; Layered products having particular features of form characterised by a discontinuous layer, i.e. formed of separate pieces of material
    • B32B3/12—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar form; Layered products having particular features of form characterised by a discontinuous layer, i.e. formed of separate pieces of material characterised by a layer of regularly- arranged cells, e.g. a honeycomb structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B33/00—Layered products characterised by particular properties or particular surface features, e.g. particular surface coatings; Layered products designed for particular purposes not covered by another single class
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B7/00—Layered products characterised by the relation between layers; Layered products characterised by the relative orientation of features between layers, or by the relative values of a measurable parameter between layers, i.e. products comprising layers having different physical, chemical or physicochemical properties; Layered products characterised by the interconnection of layers
    • B32B7/04—Interconnection of layers
    • B32B7/12—Interconnection of layers using interposed adhesives or interposed materials with bonding properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R19/00—Wheel guards; Radiator guards, e.g. grilles; Obstruction removers; Fittings damping bouncing force in collisions
    • B60R19/02—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects
    • B60R19/03—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects characterised by material, e.g. composite
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B59/00—Hull protection specially adapted for vessels; Cleaning devices specially adapted for vessels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/52—Protection, safety or emergency devices; Survival aids
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2262/00—Composition or structural features of fibres which form a fibrous or filamentary layer or are present as additives
    • B32B2262/02—Synthetic macromolecular fibres
    • B32B2262/0253—Polyolefin fibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2262/00—Composition or structural features of fibres which form a fibrous or filamentary layer or are present as additives
    • B32B2262/02—Synthetic macromolecular fibres
    • B32B2262/0261—Polyamide fibres
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/40—Weight reduction

Abstract

本发明属于抗爆结构相关技术领域，其公开了一种仿生功能复合夹芯抗爆结构及其制备方法与应用，所述抗爆结构包括依次相连接的前面板、功能复合芯层及后面板，所述功能复合芯层的材料包括具有抗破片侵彻载荷作用的仿生抗弹材料及具有抗爆炸冲击波载荷作用的仿生多胞材料。本发明将仿生多胞材料及仿生抗弹材料进行结合以形成复合功能夹芯层，使得对应的抗爆结构同时具有优异的能量吸收能力和抗破片侵彻能力，有效的防护爆炸冲击波和破片群联合作用载荷。

Description

一种仿生功能复合夹芯抗爆结构及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于抗爆结构相关技术领域，更具体地，涉及一种仿生功能复合夹芯抗爆结构及其制备方法与应用。
背景技术
反舰导弹战斗部爆炸会同时产生冲击波和破片群联合作用载荷，这种“协同”作用载荷相较于二者单一作用具备更强的杀伤力，对于舰船防护结构存在更大的威胁。
夹芯结构具有轻质、高比强度等特点，而以多胞材料作为芯层的夹芯结构可以通过胞元逐层压溃大量吸能，对于爆炸冲击波的防御效果十分显著，因此其在舰船防护领域具有广阔的应用前景。为不断提高夹芯结构的抗爆能力，相关学者对夹芯结构的芯层进行了大量创新设计。在中国发明专利CN109318542A和CN115195225A中分别公开了一种内凹混杂型、一种金字塔点阵型的夹芯结构，可以有效抵御爆炸冲击波载荷；近年来仿生学设计逐渐成为夹芯结构抗爆设计的一个焦点，仿生结构复杂的拓扑形式使得其在外载荷作用下表现出独特的变形失效模式和能量吸收特性，为夹芯结构的芯层创新设计提供了大量灵感。在中国发明专利CN114673747A中公开了一种分级层状墨鱼骨仿生夹芯结构，通过仿生学设计，进一步提高了夹芯结构抵御爆炸冲击波载荷的能力。然而，上述夹芯结构设计未考虑破片侵彻的防护，在受到冲击波和破片群联合作用时可能会因破片侵彻夹芯结构后面板造成的初始缺陷导致后面板发生更为严重的变形或撕裂破坏，这将严重削弱夹芯结构对于爆炸载荷的防护效果。
为使夹芯结构能够有效防御冲击波和破片群联合作用，相关学者通过设置抗弹层抵御破片侵彻载荷。在中国发明专利CN112606495A和CN108454194B中分别公开了一种仿生凸起-负泊松比结构复合型抗爆结构、一种含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯复合抗爆结构，这种设计可以有效提高夹芯结构对于冲击波和破片群联合作用的防护能力。但常规设计胞元材料的变形模式较为单一，能量吸收效率不足。
对夹芯结构芯层进行仿生学设计对于提高夹芯结构抗爆吸能能力具有潜在的提升效果，但目前鲜有基于仿生学原理进行冲击波和破片群联合作用抗爆防护复合夹芯结构的创新设计。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种仿生功能复合夹芯抗爆结构及其制备方法与应用，其将仿生多胞材料及仿生抗弹材料进行结合以形成复合功能夹芯层，使得对应的抗爆结构同时具有优异的能量吸收能力和抗破片侵彻能力，有效的防护爆炸冲击波和破片群联合作用载荷。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种仿生功能复合夹芯抗爆结构，所述抗爆结构包括依次相连接的前面板、功能复合芯层及后面板，所述功能复合芯层的材料包括具有抗破片侵彻载荷作用的仿生抗弹材料及具有抗爆炸冲击波载荷作用的仿生多胞材料。
进一步地，所述功能复合芯层包括依次相连接的仿生抗弹材料层、连接层及仿生多胞材料层，且所述功能复合芯层相背的两面分别通过连接层连接于所述前面板及所述后面板；所述前面板为抗爆结构的迎爆面，所述后面板为抗爆结构的背爆面；所述仿生抗弹材料层连接于所述前面板，所述仿生多胞材料层连接于所述后面板。
进一步地，所述仿生抗弹材料层连接于所述前面板，所述仿生多胞材料层连接于所述后面板；所述连接层的材料包括丙烯酸粘合剂、瞬干胶、环氧胶、UV固化粘合剂、结构胶粘剂中的任一种。
进一步地，所述功能复合芯层是采用具有抗破片侵彻载荷作用的仿生抗弹材料及具有抗爆炸冲击波载荷作用的仿生多胞材料制备而成的单层结构。
进一步地，仿生抗弹材料和仿生多胞材料沿爆炸载荷作用方向交替排列。
进一步地，所述仿生抗弹材料的拓扑结构包括仿鱼鳞堆叠结构、仿龟壳背甲密质骨结构、仿昆虫外骨骼纤维螺旋结构；所述仿生多胞材料的拓扑结构包括内凹、直角、外凸蜂窝结构，仿骨骼设计的梯度泡沫结构、层级结构、三周期极小曲面结构。
进一步地，该仿生抗弹材料采用仿鱼鳞堆叠结构抗弹陶瓷材料；该仿生多胞材料采用仿生蜂窝多胞材料。
进一步地，该仿生抗弹材料采用周期螺旋高强纤维增强复合材料；该仿生多胞材料采用平滑连通的三周期极小曲面结构多孔材料。
本发明还提供了一种如上所述的仿生功能复合夹芯抗爆结构的制备方法。
本发明提供了一种如上所述的仿生功能复合夹芯抗爆结构在航空航天、车辆防撞或者舰船抗爆防护中的应用。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的仿生功能复合夹芯抗爆结构及其制备方法与应用主要具有以下有益效果：
1.将仿生抗弹材料及仿生多胞材料组合在一起形成仿生功能复合夹芯抗爆结构，分别对战斗部爆炸所产生的爆炸冲击波和破片两种毁伤元进行更为高效的防护，显著提高了结构对冲击波与破片群联合作用载荷的防护效果。
2.仿生多胞材料具有丰富独特的拓扑形式，在外载荷作用下表现出独特的变形失效模式和能量吸收特性，选择具有稳定压溃模式和突出能量吸收效果的仿生多胞材料(蜂窝、梯度泡沫、层级结构、极小曲面等)，当夹芯结构受到爆炸冲击波载荷作用时，可通过仿生多胞材料胞元稳定的逐层压溃大量耗散能量，有效提高结构抗爆炸冲击波载荷的性能。
3.选择具有优异抗弹性能的仿生抗弹材料(仿鱼鳞片、层状骨、蟹钳、昆虫外骨骼等结构设计的纤维复合材料或陶瓷材料等)，当夹芯结构受到破片载荷侵彻作用时，仿生抗弹结构相较于常规抗弹材料可以有效改善局部侵彻能量的集中，优化结构内部裂缝扩展方向，有利于提高抗弹结构韧性和能量吸收能力，具有优越的弹道性能，可对破片载荷进行有效防护。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的仿生蜂窝多胞材料和仿生鱼鳞堆叠结构抗弹陶瓷材料为芯层的仿生功能复合夹芯抗爆结构的示意图；
图2中的a、b对应图1中的仿生功能复合夹芯抗爆结构的A处仿生抗弹材料的结构图；
图3中的a、b、c对应图1中的仿生功能复合夹芯抗爆结构的B处仿生多胞材料的不同结构图；
图4是本发明实施例2提供的三周期极小曲面结构多孔材料和周期螺旋纤维增强复合材料为芯层的仿生功能复合夹芯抗爆结构示意图；
图5是中的a、b对应图4中的仿生功能复合夹芯抗爆结构的A处仿生抗弹材料的不同结构图；
图6是中的a、b、c、d对应图4中的仿生功能复合夹芯抗爆结构的B处仿生多胞材料的不同结构图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-前面板，2-仿生抗弹材料层，3-仿生多胞材料层，4-后面板，5-连接层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种仿生功能复合夹芯抗爆结构，所述抗爆结构包括依次相连接的前面板、功能复合芯层及后面板，所述功能复合芯层的材料包括具有抗破片侵彻载荷作用的仿生抗弹材料及具有抗爆炸冲击波载荷作用的仿生多胞材料。
所述抗爆结构将仿生学设计多胞材料(蜂窝、梯度泡沫、层级结构、极小曲面等)作为抵御爆炸冲击波载荷的主要防护构件，将仿生学设计抗弹层(仿鱼鳞片、层状骨、蟹钳、昆虫外骨骼等结构设计的纤维复合材料或陶瓷材料等)作为抵御破片侵彻载荷的主要防护构件，通过二者的结合，形成复合功能夹芯结构，使其同时具有优异的能量吸收能力和抗破片侵彻能力，有效防护爆炸冲击波和破片群联合作用载荷。
所述前面板为夹芯结构抗爆结构的迎爆面，即靠近战斗部爆点一侧的面板，所述后面板为夹芯结构抗爆结构的背爆面，即远离战斗部爆点一侧的面板。
在一个实施方式中，所述功能复合芯层包括依次相连接的仿生抗弹材料层、连接层及仿生多胞材料层，且所述功能复合芯层相背的两面分别通过连接层连接于所述前面板及所述后面板。其中，所述仿生抗弹材料层连接于所述前面板，所述仿生多胞材料层连接于所述后面板；仿生抗弹材料和仿生多胞材料沿爆炸载荷作用方向交替紧密排列。所述连接层起连接作用，其可以采用丙烯酸粘合剂、瞬干胶、环氧胶、UV固化粘合剂、结构胶粘剂等胶粘方式进行粘接，对于金属材料，也可以考虑采用熔焊、压焊或钎焊等焊接方式进行连接。
在另一个实施方式中，所述功能复合芯层是采用具有抗破片侵彻载荷作用的仿生抗弹材料及具有抗爆炸冲击波载荷作用的仿生多胞材料制备而成的单层结构。
所述仿生抗弹材料和仿生多胞材料基于仿生学设计，仿生抗弹材料的结构拓扑形式包括但不限于仿鱼鳞堆叠结构、仿龟壳背甲密质骨结构、仿昆虫外骨骼纤维螺旋结构，仿生多胞材料的结构拓扑形式包括但不限于内凹、直角、外凸蜂窝结构，仿骨骼设计的梯度泡沫结构、层级结构、三周期极小曲面结构。
所述仿生抗弹材料为连续纤维、短纤维、片状材料、颗粒、纳米材料增强复合材料或氧化铝(Al2O3)、碳化硼(B4C)、碳化硅(SiC)等抗弹陶瓷材料，所述仿生多胞材料为铝合金、钛合金、不锈钢等金属材料或PLA、尼龙、ABS塑料、聚酰胺(PA)塑料等非金属材料。
所述前面板和所述后面板主要为夹芯结构提供抗拉、抗弯强度，二者的制备材料为船用钢、不锈钢、钛合金或铝合金等金属材料或连续纤维、短纤维、片状材料、颗粒、纳米材料增强复合材料、高分子聚合物等非金属材料。
本实施方式中，仿生学设计的仿生抗弹材料层的厚度与破片几何尺度相当，而仿生学设计多胞材料的相对密度在0.1～0.8范围内，这将有利于整体夹芯结构抗爆效能的发挥。
以下以几个具体实施例来对本发明进行进一步的详细说明。
实施例1
请参阅图1、图2及图3，本发明实施例1提供的一种仿生功能复合夹芯抗爆结构包括前面板1、仿生抗弹材料层2、仿生多胞材料层3、三个连接层5及后面板4，所述仿生抗弹材料层2与所述仿生多胞材料层3之间设置连接层5，以将所述仿生抗弹材料层2与所述仿生多胞材料层3连接成夹芯结构的功能复合芯层；所述功能复合芯层相背的两面分别通过连接层5连接于所述前面板1及所述后面板4。
所述仿生抗弹材料层2的材料包括具有抗破片侵彻载荷作用的仿生抗弹材料，该仿生抗弹材料采用仿鱼鳞堆叠结构抗弹陶瓷材料。所述仿生多胞材料层3的材料包括具有抗爆炸冲击波载荷作用的仿生多胞材料，该仿生多胞材料采用仿生蜂窝多胞材料，利用蜂窝材料良好的压溃变形模式(尤其是具有负泊松比效应的内凹蜂窝材料)，可以吸收大量能量，以及鱼鳞堆叠结构陶瓷材料倾斜、相互叠加等特点，有效发挥芯层抵御爆炸冲击波载荷的能力；同时有效分散局部集中的破片侵彻载荷能量，分解破片正面冲击的侵彻速度，有效削弱破片侵彻能量，显著提高了对破片载荷的防护能力。
该仿生抗弹材料的面内尺寸为200×200mm，层高度设置为40mm，堆叠角度设置为15°；多胞材料的面内尺寸为200×200mm，芯层高度设置为50mm，拓扑形式采用内凹、外凸、直角型蜂窝。
前面板1、后面板4采用抗拉强度较高的船用钢、不锈钢、钛合金、铝合金或高强聚乙烯(UHMWPE)纤维增强复合材料、芳纶(KEVLAR)纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料、纳米复合材料，仿生鱼鳞堆叠结构抗弹陶瓷材料采用氧化铝(Al2O3)、碳化硼(B4C)、碳化硅(SiC)等抗弹陶瓷材料，仿生蜂窝多胞材料采用304不锈钢、Q235碳素结构钢、E36船用钢或3D打印金属材料铝合金(AlSi10Mg)、钛合金(Ti6Al4V)或316L不锈钢，连接层5采用丙烯酸粘合剂、瞬干胶、环氧胶、UV固化粘合剂或结构胶粘剂等胶粘方式将前面板1、仿生鱼鳞堆叠结构抗弹陶瓷材料、仿生蜂窝多胞材料、后面板4连接为一个整体构成仿生功能复合夹芯结构，金属之间的连接也可以采用熔焊、压焊或钎焊等焊接方式进行连接。
当受到爆炸冲击波载荷作用时，通过仿生蜂窝多胞材料的屈曲变形，逐层压溃耗散能量，有效防御爆炸冲击波载荷。其中内凹蜂窝在受到冲击波压缩作用时会出现“内收”现象，进一步提高了对芯层对爆炸冲击波的防御能力。仿生鱼鳞堆叠结构抗弹陶瓷材料可以将破片侵彻的点载荷向周围扩散，使更多的陶瓷材料参与抵御破片侵彻载荷，同时倾斜的陶瓷可以分解破片正面冲击的侵彻速度，有效削弱破片的侵彻能量，实现对破片载荷的有效防护。
通过将二者组合在一起形成仿生蜂窝多胞材料和仿生鱼鳞堆叠结构抗弹陶瓷材料的仿生功能复合夹芯抗爆结构，分别对战斗部爆炸所产生的爆炸冲击波和破片两种毁伤元进行有效的防护，显著提高结构对冲击波与破片群联合作用载荷的防护效果。
实施例2
请参阅图4、图5及图6，本发明实施例2提供的一种仿生功能复合夹芯抗爆结构，所述抗爆结构包括前面板1、仿生抗弹材料层2、仿生多胞材料层3、三个连接层5及后面板4，所述仿生抗弹材料层2与所述仿生多胞材料层3之间设置连接层5，以将所述仿生抗弹材料层2与所述仿生多胞材料层3连接成夹芯结构的功能复合芯层；所述功能复合芯层相背的两面分别通过连接层5连接于所述前面板1及所述后面板4。
所述仿生抗弹材料层2的材料包括具有抗破片侵彻载荷作用的仿生抗弹材料，该仿生抗弹材料采用周期螺旋高强纤维增强复合材料。所述仿生多胞材料层3的材料包括具有抗爆炸冲击波载荷作用的仿生多胞材料，该仿生多胞材料采用平滑连通的三周期极小曲面结构多孔材料，利用周期极小曲面结构零平均曲率、胞元之间能够平滑连接，以及周期螺旋结构对层间分层损伤在面内扩散具有促进作用等特点，有效缓解芯层在爆炸冲击波载荷作用下的应力集中现象，防止芯层发生大面积剪切冲塞破坏，提高芯层的吸能能力；同时改善纤维增强复合材料的纤维断裂现象，促进鼓包变形的形成，提高对破片载荷的防御能力。
仿生周期螺旋高强纤维增强复合材料的面内尺寸为200×200mm，芯层高度设置为40mm，采用5°螺旋角进行铺设，仿生三周期极小曲面结构多孔材料的面内尺寸为200×200mm，芯层高度设置为50mm，拓扑形式采用Gyroid曲面、Diamond曲面、I-WP曲面或Primitive曲面，不同曲面表达式为：
Gyroid曲面：
Diamond曲面：
I-WP曲面：
Primitive曲面：
式中，x、y、z为空间点的坐标位置，n为三周期极小曲面结构单胞元尺寸。
前面板1、后面板4采用抗拉强度较高的船用钢、不锈钢、钛合金或铝合金，周期螺旋纤维增强复合材料采用高强聚乙烯(UHMWPE)纤维增强复合材料、芳纶(KEVLAR)纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料或硼纤维增强复合材料，三周期极小曲面多孔结构为3D打印金属材料铝合金(AlSi10Mg)、钛合金(Ti6Al4V)或316L不锈钢，连接层5采用丙烯酸粘合剂、瞬干胶、环氧胶、UV固化粘合剂或结构胶粘剂等胶粘方式将前面板1、周期螺旋纤维增强复合材料、三周期极小曲面多孔结构、后面板4连接为一个整体构成仿生功能复合夹芯结构。
当受到爆炸冲击波载荷作用时，通过三周期极小曲面结构多孔材料逐层压溃耗散能量，其胞元之间的连接平滑，连通性好，整个极小曲面多孔芯层结构上任一点平均曲率为0，可以实现更加均匀的压溃模式，有效避免应力集中所导致的芯层剪切冲塞破坏，为夹芯结构带来更加稳定的压溃失效模式以及更加优异的吸能效果。周期螺旋高强纤维增强复合材料可以改善复合材料内部裂缝扩展方向，抑制纤维的断裂破坏，同时可以有效促进层间分层损伤在面内区域的扩散，有利于复合材料发展鼓包变形来耗散破片动能，具有优越的弹道性能，可对破片载荷进行有效防护。
通过将二者组合在一起形成三周期极小曲面结构多孔材料和周期螺旋纤维增强复合材料的仿生功能复合夹芯抗爆结构，分别对战斗部爆炸所产生的爆炸冲击波和破片两种毁伤元进行更为高效的防护，显著提高结构对冲击波与破片群联合作用载荷的防护效果。
本发明提出了一种仿生功能复合夹芯抗爆结构，将仿生学设计多胞材料和仿生学设计抗弹材料结合形成仿生功能复合芯层，对战斗部爆炸所产生的爆炸冲击波和破片两种毁伤元进行高效的防护，相较于填充多胞材料芯层，该设计既不牺牲仿生多胞材料的压溃耗能能力，也能对破片载荷进行有效防护，在航空航天、车辆防撞、舰船抗爆防护方面具有广阔的应用前景。
本发明还提供了一种如上所述的仿生功能复合夹芯抗爆结构的制备方法。同时，本发明还提供了一种如上所述的仿生功能复合夹芯抗爆结构在航空航天、车辆防撞或者舰船抗爆防护中的应用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿生功能复合夹芯抗爆结构，其特征在于：
所述抗爆结构包括依次相连接的前面板、功能复合芯层及后面板，所述功能复合芯层的材料包括具有抗破片侵彻载荷作用的仿生抗弹材料及具有抗爆炸冲击波载荷作用的仿生多胞材料。
2.如权利要求1所述的仿生功能复合夹芯抗爆结构，其特征在于：所述功能复合芯层包括依次相连接的仿生抗弹材料层、连接层及仿生多胞材料层，且所述功能复合芯层相背的两面分别通过连接层连接于所述前面板及所述后面板；所述前面板为抗爆结构的迎爆面，所述后面板为抗爆结构的背爆面；所述仿生抗弹材料层连接于所述前面板，所述仿生多胞材料层连接于所述后面板。
3.如权利要求2所述的仿生功能复合夹芯抗爆结构，其特征在于：所述仿生抗弹材料层连接于所述前面板，所述仿生多胞材料层连接于所述后面板；所述连接层的材料包括丙烯酸粘合剂、瞬干胶、环氧胶、UV固化粘合剂、结构胶粘剂中的任一种。
4.如权利要求1所述的仿生功能复合夹芯抗爆结构，其特征在于：所述功能复合芯层是采用具有抗破片侵彻载荷作用的仿生抗弹材料及具有抗爆炸冲击波载荷作用的仿生多胞材料制备而成的单层结构。
5.如权利要求1-4任一项所述的仿生功能复合夹芯抗爆结构，其特征在于：仿生抗弹材料和仿生多胞材料沿爆炸载荷作用方向交替排列。
6.如权利要求1-4任一项所述的仿生功能复合夹芯抗爆结构，其特征在于：所述仿生抗弹材料的拓扑结构包括仿鱼鳞堆叠结构、仿龟壳背甲密质骨结构、仿昆虫外骨骼纤维螺旋结构；所述仿生多胞材料的拓扑结构包括内凹、直角、外凸蜂窝结构，仿骨骼设计的梯度泡沫结构、层级结构、三周期极小曲面结构。
7.如权利要求1-4任一项所述的仿生功能复合夹芯抗爆结构，其特征在于：该仿生抗弹材料采用仿鱼鳞堆叠结构抗弹陶瓷材料；该仿生多胞材料采用仿生蜂窝多胞材料。
8.如权利要求1-4任一项所述的仿生功能复合夹芯抗爆结构，其特征在于：该仿生抗弹材料采用周期螺旋高强纤维增强复合材料；该仿生多胞材料采用平滑连通的三周期极小曲面结构多孔材料。
9.一种权利要求1-8任一项所述的仿生功能复合夹芯抗爆结构的制备方法。
10.一种权利要求1-8任一项所述的仿生功能复合夹芯抗爆结构在航空航天、车辆防撞或者舰船抗爆防护中的应用。
CN202310399954.3A 2023-04-14 2023-04-14 一种仿生功能复合夹芯抗爆结构及其制备方法与应用 Pending CN116512708A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310399954.3A CN116512708A (zh) 2023-04-14 2023-04-14 一种仿生功能复合夹芯抗爆结构及其制备方法与应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310399954.3A CN116512708A (zh) 2023-04-14 2023-04-14 一种仿生功能复合夹芯抗爆结构及其制备方法与应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116512708A true CN116512708A (zh) 2023-08-01

Family

ID=87395108

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310399954.3A Pending CN116512708A (zh) 2023-04-14 2023-04-14 一种仿生功能复合夹芯抗爆结构及其制备方法与应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116512708A (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110283873A1 (en) * 2007-08-16 2011-11-24 University Of Virginia Patent Foundation Hybrid Periodic Cellular Material Structures, Systems, and Methods For Blast and Ballistic Protection
CN110641083A (zh) * 2019-10-24 2020-01-03 北京航空航天大学 一种泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板及制备方法
CN111055561A (zh) * 2019-12-31 2020-04-24 中国科学院合肥物质科学研究院 一种辐射屏蔽与抗爆一体化轻型复合材料
CN112606495A (zh) * 2020-12-22 2021-04-06 北京理工大学 一种复合型抗爆防护结构
CN112810258A (zh) * 2021-01-15 2021-05-18 吉林大学 一种纤维螺旋铺排仿生抗冲击复合材料及其制备方法
US20210339499A1 (en) * 2020-02-11 2021-11-04 Helicoid Industries Inc. Composite materials and structures
CN115507703A (zh) * 2022-10-14 2022-12-23 盐城工学院 一种连续功能梯度陶瓷/金属仿生复合装甲及其制备方法
CN115752098A (zh) * 2022-12-08 2023-03-07 北京理工大学 舰船抗弹抗爆一体化防护结构及其设计方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110283873A1 (en) * 2007-08-16 2011-11-24 University Of Virginia Patent Foundation Hybrid Periodic Cellular Material Structures, Systems, and Methods For Blast and Ballistic Protection
CN110641083A (zh) * 2019-10-24 2020-01-03 北京航空航天大学 一种泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板及制备方法
CN111055561A (zh) * 2019-12-31 2020-04-24 中国科学院合肥物质科学研究院 一种辐射屏蔽与抗爆一体化轻型复合材料
US20210339499A1 (en) * 2020-02-11 2021-11-04 Helicoid Industries Inc. Composite materials and structures
CN112606495A (zh) * 2020-12-22 2021-04-06 北京理工大学 一种复合型抗爆防护结构
CN112810258A (zh) * 2021-01-15 2021-05-18 吉林大学 一种纤维螺旋铺排仿生抗冲击复合材料及其制备方法
CN115507703A (zh) * 2022-10-14 2022-12-23 盐城工学院 一种连续功能梯度陶瓷/金属仿生复合装甲及其制备方法
CN115752098A (zh) * 2022-12-08 2023-03-07 北京理工大学 舰船抗弹抗爆一体化防护结构及其设计方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107498948A (zh) 一种多层梯度点阵夹芯板及其制备方法
US7694621B1 (en) Lightweight composite armor
Sriram et al. Blast impact response of aluminum foam sandwich composites
CN102717542A (zh) 一种三明治防弹夹层板
CN112943834B (zh) 一种正负泊松比循环杂交抗冲吸能结构及其应用
WO2010082970A2 (en) Reactive topologically controlled armors for protection and related method
CN110481115B (zh) 一种混杂型点阵芯体三明治防护结构的装置
JPH09189499A (ja) 二重トラス構造装甲コンポーネント
US8211814B2 (en) Protective armor panels
CN202742715U (zh) 一种三明治防弹夹层板
CN112606495A (zh) 一种复合型抗爆防护结构
CN114894037A (zh) 偏转偏航式复合防护结构
CN114212194A (zh) 一种抗水下爆炸高速破片的防护液舱结构
CN106881921A (zh) 冲击波复合消能防护装置
Bao et al. Research progress of armor protection materials
CN116512708A (zh) 一种仿生功能复合夹芯抗爆结构及其制备方法与应用
Robinson et al. An investigation of metal matrix composites as shields for hypervelocity orbital debris impacts
CN209064042U (zh) 一种轻量化防护记忆合金桁架总成
CN109720290B (zh) 一种仿海鸥羽轴结构的吸能管
CN109334160B (zh) 一种多层非晶合金结构及其用于防护装备的编织方法
CN113650374B (zh) 一种舰船舷侧柔性抗破片侵彻层及制作方法
CN115752096A (zh) 一种抗冲击的复合层结构及其制造方法和应用
Mosa et al. Influence of selection materials and construction techniques on the ballistic performance of armors: A review
CN114987027A (zh) 一种层合夹芯式抗爆抗冲击结构
CN114166069A (zh) 一种轻质多层复合结构防弹装甲板及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination