仿中华鲟背部骨鳞及鱼皮的多层级柔性防护结构制造技术

本发明专利技术涉及一种基于中华鲟背部骨鳞及其鱼皮结构特征的仿生多层级柔性防护结构，属于柔性防护结构和仿生领域。该防护结构包含三个部分：仿生覆瓦状骨鳞结构（1）、柔性基底结构（2）以及位于基底结构内部的螺旋纤维铺层结构（3）；其中仿生骨鳞结构（1）由若干仿生骨鳞单元组成，每个仿生骨鳞单元由2片仿生鳞片组成，两片仿生鳞片呈覆瓦状对称结构；所述仿生骨鳞结构（1）与基底结构（2）是分离式结构，仿生骨鳞单元的根部通过嵌入的方式装配到柔性基底结构（2）中，嵌入角度为25

【技术实现步骤摘要】
仿中华鲟背部骨鳞及鱼皮的多层级柔性防护结构


[0001]本专利技术属于柔性防护结构和仿生领域，具体地说，是一种基于中华鲟背部骨鳞及其鱼皮结构特征的仿生多层级柔性防护结构。

技术介绍

[0002]由于人们对安全问题的意识越来越强，保护结构、物体和人员免受低速冲击伤害已引起人们的重视。一般来说，冲击载荷可分为低速或高速冲击载荷。低速冲击一般是指移动相对较慢的物体，如落锤等，而高速冲击一般是指高速移动的物体，如子弹等。由于高速冲击具有破坏性大、危险性高等明显特征，一直受到学者们及国防部门的高度重视。但是，低速冲击广泛存在于我们的日常生活中，具有随机性强、涉及面广及发生率高等特征。由于低速冲击造成的损伤没有达到试样承受极限而容易被忽略，因而被认为是一种潜在的危险。对于飞机结构，这种冲击可能是由在维修过程中工具的掉落、冰雹冲击或跑道滑行过程中其它结构之间的撞击引起；对于船舶和海洋工程结构，如与海冰、其他船只或漂浮物等的撞击；对于桥墩结构，为了应对船只的误撞，必须进行抗冲击碰撞设计。低速冲击很可能会造物体结构微裂纹的产生，进而显著降低结构的刚度和承载能力，为安全埋下隐患。然而，有关抗低速冲击的仿生骨鳞、鱼皮多层级柔性防护结构的研究与应用还非常少，因此，设计一款能抵御低速冲击的柔性防护结构是十分有必要的。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供一种提高工程防护结构，如桥墩防撞结构、精密设备包装件等的抗低速冲击性能的防护结构。
[0004]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于中华鲟背部骨鳞及其鱼皮结构特征的仿生多层级柔性防护结构，该防护结构包含三个部分：仿生覆瓦状骨鳞结构、柔性基底结构以及位于基底结构内部的螺旋纤维铺层结构；其中仿生骨鳞结构由2片仿生骨鳞单元组成，单元之间夹角为130
°ꢀ
~ 150
°
，仿生骨鳞结构呈覆瓦状对称结构；仿生骨鳞结构先按等间距方式组成仿生骨鳞列，相邻列之间沿列方向形成错位，其中仿生骨鳞结构间的重叠率为0.4 ~ 0.6；所述仿生骨鳞结构与基底结构是分离式结构，仿生骨鳞结构的根部通过嵌入的方式装配到柔性基底结构中，嵌入角度为25
°
~ 30
°
。
[0005]所述仿生多层级柔性防护结构，其特征在于：所述柔性基底结构表面分布着与仿生骨鳞结构根部形状对应的槽结构，方便仿生骨鳞结构插入。
[0006]所述仿生多层级柔性防护结构，其特征在于：所述柔性基底结构厚度为15mm；所述螺旋纤维铺层结构，纤维层共五层，层间间距为1.5 mm，相邻纤维层之间的夹角为65
°
。
[0007]本专利技术的优点与积极效果为：为了提高工程防护结构（如桥墩防撞结构、精密设备包装件等）的抗低速冲击性能，本文设计出基于中华鲟背部骨鳞及其鱼皮结构特征的仿生多层级柔性防护结构。本专利技术包括仿生骨鳞结构和柔性基底结构，采用嵌入方式连接，即在基底结构开出与仿生骨鳞
结构尺寸相同的孔槽。可以看出，由表面至内部，本专利技术建立了一种多层级、刚柔耦合仿生防护结构。表面的高强度结构材料可抵御冲击力，基底结构可以通过变形来分散应力，而内部的纤维结构可以延缓裂纹扩展，并引导裂纹向周围传递，增大基底结构的受力面积，避免应力集中的产生，从而实现较好的抗冲击防护功能。
[0008]本专利技术结构简单、可靠，制备方便，通过对中华鲟背部骨鳞及鱼皮的形态特征分析及仿生，设计了一种新型的仿生多层级柔性防护结构，可以实现较好的低速抗冲击防护功能。
附图说明
[0009]图1为仿生多层级柔性防护结构示意图;图2为仿生骨鳞结构示意图;图3为仿生骨鳞排列结构示意图;图4为仿生骨鳞嵌入方式示意图;图5为纤维排列结构示意图;图6为制备仿生复合结构模具示意图;图中标号名称: 1仿生覆瓦状骨鳞结构，2柔性基底结构，3螺旋纤维铺层结构，1
‑
1左侧的仿生骨鳞单元，1
‑
2右侧的仿生骨鳞单元，D1不重叠的相邻生骨鳞结构间的间距，D2相互重叠的相邻生骨鳞结构间的间距，D3生骨鳞结构前后间距，θ基底角度，5
‑
1某纤维层铺设方向，5
‑
2相邻纤维层铺设方向，6
‑
1第一步的模具，6
‑
2第二步的模具。
具体实施方式
[0010]图1中给出了仿生多层级柔性防护结构的整体示意图。数字1是仿生骨鳞结构，数字2是基底结构图，数字3是内部纤维铺层结构图，纤维铺层间的角度为65
°
。根据该结构的剖视图可以得知，该结构由嵌入式仿生鳞片层、柔性基底结构以及基底内部的纤维铺层结构组成。
[0011]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明：本专利技术中，仿生骨鳞结构1结构采用尼龙（PA12）材料打印制备而成（Stratasys Object Connex系列3D打印机）。仿生骨鳞结构1结构之间的重叠率为0.4 ~ 0.6，仿生骨鳞结构间的间距D
2 = 12.83~ 15.43 mm，D
1 = 2D2，通过嵌入方式与柔性基底结构2进行组合，嵌入基底角度θ = 25
°
~ 30
°
，仿生骨鳞结构前后间距D
3 = 5.85~ 6.35mm，如图3、4所示。仿生骨鳞结构采用强度较高的尼龙材料打印制备。
[0012]柔性基底结构2采用弹性好的PDMS材料以及具有很高韧性的凯夫拉纤维经高温成型制备而成，该结构包含两个部分，即表面的槽结构与内部的纤维铺层结构3，如图1所示。纤维层之间的间距均为1.5 mm，铺设层数为5层，纤维层夹角为65
°
，如图5所示。PDMS粘结性很强，可用于粘结金属、橡胶及陶瓷等多种材料，界面结合力学特性良好，在受到冲击时，可以减少界面分层现象的发生；同时，PDMS还具有良好的弹性，可通过变形缓冲吸能。
[0013]仿生多层级柔性防护结构的制备过程如下：（1）. 由于柔性基底层的制备需要经历高温固化成型过程，所以在制备工作开始之前，需要先制备出耐高温的模具（图6）。根据这一要求，模具材料选择了白色尼龙，其形变
温度为175
°
Ϲ
，可在100
°
Ϲ
的高温固化环境中保证结构形状精度，制备方式为3D打印。由于仿生骨鳞结构与柔性基底层的连接方式为嵌入式，因此在模具6
‑
1设计过程中应设计出与仿生骨鳞结构形状相同的凸起结构（图6），以便在柔性基底层制备完成后将仿生骨鳞结构插入其表面的孔隙中并进行最后的成型制备。图6中两种模具的尺寸相同，长
×ꢀ
宽
×ꢀ
高= 182
ꢀ×ꢀ
119
ꢀ×ꢀ
45 mm3，壁厚t = 8 mm。这些凸起结构的垂直高度为3 mm，凸起结构之间的距离可通过D2和D3表示。
[0014]（2）. 制备仿生多层级柔性复合结构所需的PDMS混合液质量为251.8本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于中华鲟背部骨鳞及其鱼皮结构特征的仿生多层级柔性防护结构，该防护结构包含三个部分：仿生覆瓦状骨鳞结构（1）、柔性基底结构（2）以及位于基底结构内部的螺旋纤维铺层结构（3）；其中仿生骨鳞结构（1）由2片仿生骨鳞单元组成，2片仿生骨鳞单元呈覆瓦状对称结构，单元之间夹角为130
°
~150
°
；仿生骨鳞结构先按等间距方式组成仿生骨鳞列，相邻列之间沿列方向形成错位，其中仿生骨鳞结构（1）间的重叠率为0.4 ~ 0.6；所述仿生骨鳞结构（1）与基底结构（2）是分离式结...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭策，郑宇，戴宁，俞志伟，马耀鹏，申京玉，王宇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：