基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板及其制备方法，在至少三层单向碳纤维层之间设置增韧层，所述增韧层包括纳米纤维膜以及附着在所述纳米纤维膜上的纳米结构，与所述增韧层相邻的两个单向碳纤维层的铺排角度不相同且是根据猛禽羽毛的羽轴和羽枝之间的角度设置，形成了基于羽毛的协同仿生复合材料层合板。本发明专利技术模仿猛禽羽毛的结构，根据其羽枝和羽轴的夹角结构设置至少三层单向碳纤维层的单向碳纤维的铺排角度，根据其羽枝和羽小枝的多级钩连结构设置增韧层结构，将猛禽羽毛的协同仿生的理念应用到复合材料层合板的设置中，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，在航空复合材料领域具有良好的应用前景。域具有良好的应用前景。域具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板及其制备方法


[0001]本专利技术涉及复合材料层合板制造领域，尤其涉及一种基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板及其制备方法。

技术介绍

[0002]在航空领域，实现飞行器的轻量化是永恒的研究主题，在关键部件中选用复合材料是航空飞行器轻量化的主要手段之一，其中由碳纤维增强基复合材料制备的层合板结构由于兼具强度高、质量轻、抗疲劳和不易腐蚀等特点，已经广泛应用于航空飞行器的主承力结构和次承力结构上。
[0003]但是，碳纤维增强基复合材料制备的层合板结构目前还存在以下问题：层合板在垂直于纤维方向的层间结合主要依赖树脂的连接并且需要传递层与层之间的载荷，从而导致层间的力学性能较差，主要表现为受到冲击载荷时容易出现内部层间失效的现象，最终导致整个结构的破坏失效。此外，航空复合材料的铺层角度由于受行业准则和制备工艺限制，在确定铺层角度时为了避免制备工作的复杂化和降低生产制备的难度，现有结构的铺排角度较为单一，而单一的铺排角度设置会导致复合材料的强度性能提升达到技术瓶颈。目前，用于复合材料层合板层间性能增强的方法主要包括Z向穿刺技术、基体颗粒增韧、层间聚合物胶膜增韧等技术，虽然以上方法均可以增强复合材料层合板的层间性能，但是这些增韧技术均存在不足之处，例如：Z向穿刺技术制造工艺复杂、成本较高，并且会破坏复合材料的面内性能；基体颗粒增韧存在团聚现象，导致基体粘度过大，并且存在浸润纤维不充分的问题；而聚合物胶膜存在膜的厚度控制困难，引入复合材料层合板会影响整体结构形状和力学性能等问题。r/>[0004]因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

[0005]鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板及其制备方法，旨在实现复合材料层合板的强度与韧性的协同增强。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其中，包括：
[0008]增韧层，所述增韧层包括纳米纤维膜以及附着在所述纳米纤维膜上的纳米结构；
[0009]结构层，所述结构层包括至少三层单向碳纤维层，所述增韧层设置在所述至少三层单向碳纤维层之间，所述至少三层单向碳纤维层的单向碳纤维的铺排角度根据猛禽羽毛的羽轴和羽枝之间的角度设置。
[0010]所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其中，所述单向碳纤维层包括树脂基体以及嵌设于所述树脂基体中的单向碳纤维，所述纳米纤维膜与所述纳米结构共同嵌入所述树脂基体。
[0011]所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其中，所述单向碳纤维的强度
选自T300、T400、T600、T700、T800、T1000中的一种，所述单向碳纤维的丝束选自1K、3K、6K、12K中的一种，所述树脂基体选自环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酯树脂、乙烯基脂树脂中的一种。
[0012]所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其中，所述至少三层单向碳纤维层包括前缘层、羽轴层和后缘层，所述羽轴层设置在所述前缘层和所述后缘层之间，所述前缘层与所述羽轴层之间设置有所述增韧层，所述后缘层与所述羽轴层之间设置有所述增韧层。
[0013]所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其中，相对于所述羽轴层，所述前缘层的单向碳纤维与所述羽轴层的单向碳纤维之间的顺时针夹角为所述猛禽羽毛的前缘羽枝与羽轴的平均夹角，所述后缘层的单向碳纤维与所述羽轴层的单向碳纤维之间的逆时针夹角为所述猛禽羽毛的后缘羽枝与羽轴的平均夹角。
[0014]所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其中，所述纳米纤维膜的材料选自聚丙烯晴、聚碳酸酯和尼龙中的一种。
[0015]所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其中，所述纳米结构选自碳纳米管、氧化锌纳米棒、氧化铜纳米棒、四氧化三铁纳米棒、银纳米棒、金纳米棒、氧化铝纳米粒子、铁酞菁纳米棒中的一种。
[0016]一种如上所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板的制备方法，其中，包括：
[0017]制备纳米纤维膜，在所述纳米纤维膜上沉积纳米结构，得到增韧层；
[0018]获取猛禽羽毛的羽轴和羽枝之间的平均夹角，根据所述平均夹角制备至少三层单向碳纤维层；
[0019]将所述增韧层层叠设置在所述至少三层单向碳纤维层之间，再经过成型工艺，得到复合材料层合板。
[0020]所述的制备方法，其中，所述纳米纤维膜的制备方法为静电纺丝，所述纳米结构的沉积方法选自化学气相沉积法、水热法、模板法、抽滤法、电泳沉积中的一种。
[0021]所述成型工艺包括热压法、手糊成型工艺、湿法铺层成型法、热压罐成型技术、树脂传递模塑成型技术中的一种。
[0022]一种如上所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板的应用，其中，所述协同仿生复合材料层合板应用于航空飞行器的需承受复杂气动载荷的结构。
[0023]有益效果：本专利技术在至少三层单向碳纤维层之间设置增韧层，所述增韧层包括纳米纤维膜以及附着在所述纳米纤维膜上的纳米结构，与所述增韧层相邻的两个单向碳纤维层的铺排角度不相同且是根据猛禽羽毛的羽轴和羽枝之间的角度设置，形成了基于羽毛的协同仿生复合材料层合板。本专利技术模仿猛禽羽毛的结构，根据其羽枝和羽轴的夹角结构设置至少三层单向碳纤维层的单向碳纤维的铺排角度，根据其羽枝和羽小枝的多级钩连结构设置增韧层结构，将猛禽羽毛的协同仿生的理念应用到复合材料层合板的设置中，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，在航空复合材料领域具有良好的应用前景。
附图说明
[0024]图1为本专利技术的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板的整体结构示意图。
[0025]图2为本专利技术的一组单向碳纤维层与增韧层的铺层结构仿生结构示意图(图中箭头为对应的单向碳纤维层的单向碳纤维的铺层方向)。
[0026]图3为本专利技术的协同仿生复合材料层合板的增韧层的仿生结构示意图。
[0027]图4为雕鸮的羽毛的羽轴
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羽枝
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羽小枝多级结构图。
[0028]图5为猛禽羽毛的羽枝
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羽轴夹角提取过程示意图。
[0029]图6为一组单向碳纤维层的铺层结构与层间角度示意图。
[0030]图7为附着氧化锌纳米结构的聚丙烯腈纳米纤维扫描电镜图。
具体实施方式
[0031]本专利技术提供一种基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板及其制备方法，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0032]自然界中的大型猛禽可以在其承载高质量猎物(例如老鼠、狐狸等)和/或在复杂环境(狂风、暴雨等)下实现稳定飞行，大型猛禽超强的飞行本领得益于其轻质高强的羽毛结构，并且，大型猛禽羽枝
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羽轴夹角度普遍小于其他鸟类，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其特征在于，包括：增韧层，所述增韧层包括纳米纤维膜以及附着在所述纳米纤维膜上的纳米结构；结构层，所述结构层包括至少三层单向碳纤维层，所述增韧层设置在所述至少三层单向碳纤维层之间，所述至少三层单向碳纤维层的单向碳纤维的铺排角度根据猛禽羽毛的羽轴和羽枝之间的角度设置。2.根据权利要求1所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其特征在于，所述单向碳纤维层包括树脂基体以及嵌设于所述树脂基体中的单向碳纤维，所述纳米纤维膜与所述纳米结构共同嵌入所述树脂基体。3.根据权利要求2所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其特征在于，所述单向碳纤维的强度选自T300、T400、T600、T700、T800、T1000中的一种，所述单向碳纤维的丝束选自1K、3K、6K、12K中的一种，所述树脂基体选自环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酯树脂、乙烯基脂树脂中的一种。4.根据权利要求1所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其特征在于，所述至少三层单向碳纤维层包括前缘层、羽轴层和后缘层，所述羽轴层设置在所述前缘层和所述后缘层之间，所述前缘层与所述羽轴层之间设置有所述增韧层，所述后缘层与所述羽轴层之间设置有所述增韧层。5.根据权利要求4所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其特征在于，相对于所述羽轴层，所述前缘层的单向碳纤维与所述羽轴层的单向碳纤维之间的顺时针...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩志武，宋文达，穆正知，张芷嫣，王宇飞，陈豫，陈友，秦晓静，迟德强，张俊秋，牛士超，李博，张斌杰，李玉娇，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：