一种连续纤维增强复合材料拉胀结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种连续纤维增强复合材料拉胀结构及其制备方法，采用连续路径规划策略，使用热敏型形状记忆聚合物与可导电连续纤维材料，实现集合拉胀效应、形状记忆特性及自主调控功能、健康自监测等多功能一体化的低成本快速成型。

【技术实现步骤摘要】
一种连续纤维增强复合材料拉胀结构及其制备方法
本专利技术属于机械超材料
，具体涉及一种连续纤维增强复合材料拉胀结构及其制备方法。
技术介绍
拉胀结构因其在抗压强度、剪切模量、压痕阻力、断裂韧性及冲击吸能等方面的优异表现，正逐渐成为国内外力学工作者的研究热点。使用常规材料制备的拉胀结构，难以控制结构的变形路径，无法实现结构的变形回复与二次利用。由于结构的复杂性，整体结构制备难度高。制备周期相对较长。形状记忆聚合物作为一类重要的智能材料，在航空航天，柔性电子，医用器械，水下机器人等领域具有极大的发展潜力。受限于形状记忆聚合物比刚度、比强度等力学性能较低、运动可靠性较差及变形过程中回复力较小的缺点，关于形状记忆聚合物的实际应用尚未得到大面积推广。纤维增强型形状记忆聚合物复合材料能够有效弥补上述缺点，具备更优越的刚度、强度等力学性能。但是，由于纤维增强型形状记忆聚合物复合材料内部纤维束和基体两种材料的机械性能存在差异，施加大载荷时，复合材料可能会发生基体的开裂和分层、纤维拔出和脱粘以及断裂等损伤行为。复合材料结构中的这些损伤可能发生在结构内部，而隐藏在结构内部的损伤一般不容易观测或探测到，这类损伤可能会导致重大安全事故。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种具有形状记忆效应和健康自监测功能的连续纤维增强复合材料拉胀结构及其制备方法，实现集合拉胀效应、形状记忆特性及自主调控功能、健康自监测等多功能一体化的低成本快速成型。本专利技术采用以下技术方案：一种连续纤维增强复合材料拉胀结构，包括内凹蜂窝结构和手性点阵，以内凹蜂窝结构的单胞或手性点阵的单胞连接构成几何单胞，若干几何单胞周期性拉胀构成连续纤维增强复合材料拉胀结构。具体的，内凹蜂窝结构的单胞单层壁厚所在边与水平线所成锐角θ相同，θ为0～90°，内凹蜂窝结构的单胞之间通过内凹蜂窝结构基本杆件连接，手性点阵的单胞之间通过手性点阵基本杆件连接，内凹蜂窝结构基本杆件和手性点阵基本杆件与边缘线所成的锐角β相同，β为0～45°。进一步的，内凹蜂窝结构基本杆件和手性点阵基本杆件的交叉结构采用十字交叉、星型交叉或米字交叉方式连接。具体的，内凹蜂窝结构与手性点阵均采用单双层结构壁厚交替构成。进一步的，单双层结构采用热塑性基体与连续纤维制成，单层壁厚为1.38mm，双层壁厚为2.36mm。本专利技术的另一个技术方案是，一种制备连续纤维增强复合材料拉胀结构的方法，包括以下步骤：S1、确定连续纤维增强复合材料拉胀结构的相关可调几何参数，绘制内凹蜂窝结构和手性点阵模型，将内凹蜂窝结构和手性点阵模型转换为STL格式数据并导出；S2、对步骤S1得到的STL格式数据的数据模型进行数字化横截面切片，将切片数据导入计算机辅助软件，处理节点信息，规划打印路径，编写路径G代码，得到与打印设备匹配的数据文件；S3、确定熔融沉积法打印工艺参数，选取可导电连续纤维和热敏型形状记忆聚合物原料，根据步骤S2得到的与打印设备相匹配的数据进行逐层打印，得到具有形状记忆效应和健康自监测功能的连续纤维增强复合材料拉胀结构。具体的，步骤S1中，相关可调几何参数包括内凹蜂窝结构与手性点阵单体杆件长度，热塑性基体与连续纤维所形成的单双层结构壁厚，内凹蜂窝结构单胞单层壁厚所在边与水平线所成锐角，手性点阵单胞之间用于相互连接的杆件与边缘线所成的锐角以及单层内凹蜂窝结构与手性点阵的高度。具体的，步骤S3中，打印工艺参数包括打印速度、打印温度、平台温度和填充密度，打印速度为30～100mm/min，打印温度为200～210℃，平台温度为35～50℃，填充密度为60％～100％。具体的，步骤S3中，可导电连续纤维包括金属纤维丝和碳纤维；热敏型形状记忆聚合物包括形状交联聚乙烯、共聚酰胺、聚氨酯、聚己内酯、聚降冰片烯、反式1，4-聚异戊二烯、苯乙烯-丁二烯共聚物、乙烯/醋酸乙烯共聚物以及含氟高聚物。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种具有形状记忆效应和健康自监测功能的连续纤维增强复合材料拉胀结构及其制备方法，将具有形状记忆效应和健康自监测功能的连续纤维增强复合材料3D打印工艺引入拉胀结构研发领域，可设计并制造多种几何形状的具有形状记忆效应和健康自监测功能的连续纤维增强复合材料拉胀结构，通过设计规划合理的打印路径保持纤维的连续性，能够实现具有形状记忆效应和健康自监测功能的连续纤维增强复合材料拉胀结构的低成本快速一体化成型。经实验发现，其在面内两个方向压缩载荷作用下均呈现负泊松比效应，连续纤维的存在抑制了基体中裂纹的扩展，阻止了杆件的断裂，防止结构被压碎，1-方向压缩时应力有较长的平台区域，2-方向压缩时应力呈现出多平台效应，在能量吸收方面有相当的优势，是极具前景的新一代轻质超材料。进一步的，具有形状记忆效应和健康自监测功能的连续纤维增强复合材料拉胀结构单胞，以内凹蜂窝和手性点阵为例，这两种结构都是工程中极具开发潜力的拉胀结构，结构形式简单，几何参数明晰，易于制造及推广。进一步的，具有形状记忆效应和健康自监测功能的连续纤维增强复合材料结构单胞，内凹蜂窝结构的单胞单层壁厚所在边与水平线所成锐角相同，为0～90°，手性点阵的单胞之间通过杆件连接，杆件与边缘线所成的锐角相同，为0～45°，角度可调有利于结构性能调节设计和多功能集成。进一步的，所选择的热塑性基体为热敏型形状记忆聚合物，如形状交联聚乙烯、共聚酰胺、聚氨酯(PU)、聚己内酯、聚降冰片烯、反式1,4-聚异戊二烯、苯乙烯-丁二烯共聚物、乙烯/醋酸乙烯共聚物以及含氟高聚物等，根据实际温度需求与强度标准，可自由选择基体材料，充分发挥材料优势进而提升结构性能。进一步的，所使用的连续纤维为可导电纤维，如金属纤维丝(形状记忆合金NiTi、14-PH不锈钢、TC4钛合金、IN718等)、碳纤维等，可根据实际成本与电压需求选择纤维种类，设计内部纤维路径、含量等，灵活性、可选择性强，应用场景广泛。进一步的，内凹蜂窝结构与手性点阵单体杆件长度，热塑性基体与连续纤维所形成的单双层结构壁厚，内凹蜂窝结构单胞单层壁厚所在边与水平线所成锐角，手性点阵单胞之间用于相互连接的杆件与边缘线所成的锐角，单层内凹蜂窝结构与手性点阵的高度等均为可调参数，有利于提高结构的设计性，提升结构能量吸收能力。进一步的，连续纤维贯穿整体结构，有利于后续纤维的完整回收与二次利用。进一步的，对于多杆件交叉的结构采用“十字交叉”、“星型交叉”、“米字交叉”等搭接方法；对于结构中受力较大的杆件将其并排打印为多臂杆件增加壁厚或同一路径重复打印多次增加纤维含量，可有效提高结构强度。进一步的，基于可导电纤维的形状记忆聚合物复合材料拉胀结构可以实现现场非破坏性自身结构健康监测。如果结构受力变形或者受到外部损伤，结构材料的电阻便会即时发生变化。当结构材料受到冲击、振动以及其它应力和应变的时候，结构健康监测器就可以对该结构进行健康监测。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连续纤维增强复合材料拉胀结构，其特征在于，包括内凹蜂窝结构(1)和手性点阵(2)，以内凹蜂窝结构(1)的单胞或手性点阵(2)的单胞连接构成几何单胞，若干几何单胞周期性拉胀构成连续纤维增强复合材料拉胀结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种连续纤维增强复合材料拉胀结构，其特征在于，包括内凹蜂窝结构(1)和手性点阵(2)，以内凹蜂窝结构(1)的单胞或手性点阵(2)的单胞连接构成几何单胞，若干几何单胞周期性拉胀构成连续纤维增强复合材料拉胀结构。


2.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料拉胀结构，其特征在于，内凹蜂窝结构(1)的单胞单层壁厚所在边与水平线所成锐角θ相同，θ为0～90°，内凹蜂窝结构(1)的单胞之间通过内凹蜂窝结构基本杆件(3)连接，手性点阵(2)的单胞之间通过手性点阵基本杆件(6)连接，内凹蜂窝结构基本杆件(3)和手性点阵基本杆件(6)与边缘线所成的锐角β相同，β为0～45°。


3.根据权利要求2所述的连续纤维增强复合材料拉胀结构，其特征在于，内凹蜂窝结构基本杆件(3)和手性点阵基本杆件(6)的交叉结构采用十字交叉、星型交叉或米字交叉方式连接。


4.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料拉胀结构，其特征在于，内凹蜂窝结构(1)与手性点阵(2)均采用单双层结构壁厚交替构成。


5.根据权利要求4所述的连续纤维增强复合材料拉胀结构，其特征在于，单双层结构采用热塑性基体(5)与连续纤维(4)制成，单层壁厚为1.38mm，双层壁厚为2.36mm。


6.一种制备权利要求1所述连续纤维增强复合材料拉胀结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定连续纤维增强复合材料拉胀结构的相关可调几何参数，绘制内凹...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩宾，李芸瑜，李战鑫，全超，张琦，
申请(专利权)人：西安交通大学，浙江西安交通大学研究院，
类型：发明
国别省市：陕西;61