一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板及其制备方法，仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，包括：由横向加强筋与纵向加强筋组成的多孔结构芯层和上下面板结构，多孔结构芯层采用短纤环氧树脂材料，上下面板采用变模量、变密度的混杂纤维环氧树脂材料，且上下面板采用纤维铺层设计，整体结构通过3D打印一体成型制备，形成一种仿生多孔结构复合材料夹芯板材，与传统的夹芯板材结构相比，其比刚度、比强度进一步提升，缓解了因异质材料的属性突变而引发的局部应力集中，解决了上下面板与芯层界面因应力集中而脱黏断裂，提前破坏失效的难题。前破坏失效的难题。

【技术实现步骤摘要】
一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板及其制备方法


[0001]本专利技术涉及复合材料
，尤其涉及一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，中国的轨道客车不断更新换代，轨道客车的客室内装结构中的地板、侧墙板、内顶板、间壁板、内外车门的门板等关键零部件对性能提升的要求日益增加，对客室内装结构关键零部件的结构设计提出了新的要求。
[0003]传统夹芯板材结构是由上下两层高强度、高模量的薄面板和中间较厚的轻质芯材组成的结构材料，轻质芯子的作用是尽可能降低结构的重量，增加两面板的截面惯性矩从而提高结构的抗弯曲刚度。面板粘接在芯子上，从而实现载荷在芯子和面板之间的传递。轻质芯子主要承受面外剪切载荷，而面板主要承受面内载荷和弯曲载荷。夹芯板材结构与普通单一材料相比具有比强度高，比刚度大等特点，但本身也存在着一些不可避免的缺陷，其中重要的一个是板材在承受低速冲击时，面板与芯子之间无法完好地焊接在一起，造成面板与芯子的焊点处出现焊点脱开的情况，从而使得结构的力学性能大幅下降。所以寻找一种即可以使板材具有高比强度、比刚度，同时满足抗低速冲击性能的方法迫在眉睫。
[0004]即现有技术中传统夹芯板材结构，受力时界面处会因为异质材料的属性突变出现应力集中的现象，此处的大应力会使材料率先发生裂纹而使整体结构提前失效，从而造成现有传统夹芯板材结构存在的受低速冲击时，面板与芯子界面脱黏断裂破坏的问题。
[0005]因此，现有技术还有待改进和发展。

技术实现思路
<br/>[0006]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仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板及其制备方法，旨在解决现有传统夹芯板材结构存在的受低速冲击时，面板与芯子界面脱黏断裂破坏的问题。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其中，所述仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的整体结构包括：
[0009]由横向加强筋与纵向加强筋组成的多孔结构芯层；
[0010]上面板、所述上面板设置在所述多孔结构芯层上表面；
[0011]下面板，所述下面板设置在所述多孔结构芯层下表面；
[0012]所述多孔结构芯层采用仿刺猬硬薄壳
‑
柔性多孔芯层结构；所述上面板和所述下面板采用仿刺猬刺外壳纤维铺排方式的复合材料板，且所述上面板和所述下面板采用纤维铺层设置；
[0013]所述仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的整体结构通过3D打印一体成型制备，形成一种仿生多孔结构复合材料夹芯板材。
[0014]所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其中，所述多孔结构芯层采用短纤环氧树脂材料芯层，所述上面板和所述下面板采用变模量、变密度的混杂纤维环氧树脂材料板。
[0015]所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其中，所述多孔结构芯层的横向加强筋厚度、横向加强筋间距与上下面板厚度的比值为1：7.54：5.8。
[0016]所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其中，所述多孔结构芯层由纤维混杂复合材料3D打印成型，所述多孔结构芯层的比模量为0.29*105MPa。
[0017]所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其中，所述上面板和所述下面板由外到内分为第一层、第二层、第三层，为仿刺猬刺外壳铺排纤维模型。
[0018]所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其中，所述第一层、第二层、第三层各由多层变角度纤维层组成，变角度纤维层中的单一纤维层含有多根纤维，多根纤维同向平行直铺，单一纤维层间通过树脂固化而形成连接。
[0019]所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其中，所述第一层由比模量为(2.0
‑
2.34)*105MPa的高模量碳纤维0
°
、
±
45
°
、90
°
交错铺排，所述第二层由比模量为0.58*105MPa的K
‑
49Ⅳ芳纶纤维0
°
、
±
45
°
、90
°
交错铺排，所述第三层由比模量为0.29*105MPa的E玻璃纤维0
°
、
±
45
°
、90
°
交错铺排，且由外到内的第一层、第二层、第三层的纤维排布密度呈递减的趋势。
[0020]所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其中，所述上面板、所述多孔结构芯层与下面板的厚度比为1：16：1。
[0021]一种实现任一项所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的制备方法，其中，包括步骤：
[0022]A：在纤维3D打印机上预先输入仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板三维模型，并对所述上面板、所述芯层以及所述下面板材料进行预设置；
[0023]B：准备制备所述下面板，通过纤维3D打印机逐层打印：先更换3D打印机的打印材料为树脂基碳纤维以打印所述下面板的第一层S1，然后更换3D打印机的打印材料为树脂基芳纶纤维以打印所述下面板的第二层S2，然后再更换3D打印机的打印材料为树脂基E玻璃纤维以打印所述下面板的第三层S3，以制备新型变模量、变密度的仿刺猬刺外壳纤维铺排方式的复合材料板，形成所述上面板的制备；
[0024]C：更换3D打印机的打印材料为环氧树脂混杂短纤材料，换用短纤环氧树脂材料，通过纤维3D打印机制备所述多孔结构芯层；
[0025]D：准备制备所述上面板，通过纤维3D打印机逐层打印，先更换3D打印机的打印材料为树脂基碳纤维以打印所述上面板的第一层S1，然后更换3D打印机的打印材料为树脂基芳纶纤维以打印所述上面板的第二层S2，然后再更换3D打印机的打印材料为树脂基E玻璃纤维以打印所述上面板的第三层S3，以在制备好的所述多孔结构芯层上，制备新型变模量、变密度的仿刺猬刺外壳纤维铺排方式的复合材料板，以制备所述上面板。
[0026]所述的制备方法，其中，所述上面板和所述下面板制备由外到内分为第一层、第二层、第三层，为仿刺猬刺外壳铺排纤维模型，第一层、第二层、第三层的密度由打印的纤维含量控制，由外到内纤维含量逐渐减少；所述上面板、下面板与中间夹心的多孔结构芯层通过3D打印一体成型制备。
[0027]有益效果：本专利技术提供的一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板及其制备方法，提供了混杂纤维铺层面板与横纵加强筋多孔芯层的设计与一体打印成型技术，通过仿生多孔结构与独特的混杂纤维束铺排方式，使得夹芯纤维复合材料板材结构具有比强度高，比刚度大性能的同时，在承受低速冲击时，可以避免面板与芯子界面因应力集中而脱粘断裂破坏，这种新型结构复合材料可满足中国轨道客车的客室内装结构中的地板、侧墙板、内顶板、间壁板、内外车门的门板等关键零部件更高的需求：具轻质高强、高断裂韧性、抗低速冲击于一体的优异力学性能。
附图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其特征在于，所述仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的整体结构包括：由横向加强筋与纵向加强筋组成的多孔结构芯层；上面板、所述上面板设置在所述多孔结构芯层上表面；下面板，所述下面板设置在所述多孔结构芯层下表面；所述多孔结构芯层采用仿刺猬硬薄壳
‑
柔性多孔芯层结构；所述上面板和所述下面板采用仿刺猬刺外壳纤维铺排方式的复合材料板，且所述上面板和所述下面板采用纤维铺层设置；所述仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的整体结构通过3D打印一体成型制备，形成一种仿生多孔结构复合材料夹芯板材。2.根据权利要求1所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其特征在于，所述多孔结构芯层采用短纤环氧树脂材料芯层，所述上面板和所述下面板采用变模量、变密度的混杂纤维环氧树脂材料板。3.根据权利要求1所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其特征在于，所述多孔结构芯层的横向加强筋厚度、横向加强筋间距与上下面板厚度的比值为1：7.54：5.8。4.根据权利要求1所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其特征在于，所述多孔结构芯层由纤维混杂复合材料3D打印成型，所述多孔结构芯层的比模量为0.29*105MPa。5.根据权利要求1所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其特征在于，所述上面板和所述下面板由外到内分为第一层、第二层、第三层，为仿刺猬刺外壳铺排纤维模型。6.根据权利要求5所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其特征在于，所述第一层、第二层、第三层各由多层变角度纤维层组成，变角度纤维层中的单一纤维层含有多根纤维，多根纤维同向平行直铺，单一纤维层间通过树脂固化而形成连接。7.根据权利要求5所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其特征在于，所述第一层由比模量为(2.0
‑
2.34)*105MPa的高模量碳纤维0
°
、
±
45
°
、90
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交错铺排，所述第二层由比模量为0.58*105MPa的K
‑
49Ⅳ芳纶纤维0
°
、
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【专利技术属性】
技术研发人员：张俊秋，秦晓静，韩志武，李玉姣，李因武，牛士超，韩奇钢，穆正知，李博，王泽，刘莉莉，齐爽，季然，黄纯涛，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：