具有仿生结构的复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有仿生结构的复合材料及其制备方法。其中，该制备方法包括以下步骤：1)基于建模得到的丝瓜络结构模型构建导向装置并确定纤维缠绕顺序；2)在导向装置上按照所确定的纤维缠绕顺序进行纤维的缠绕，得到仿生丝瓜络结构作为复合材料预制体；3)将仿生丝瓜络结构与基体结合形成复合材料。应用本发明专利技术的具有仿生结构的复合材料的制备方法，可以模拟构建一种具有仿生丝瓜络结构的复合材料，而这种仿生丝瓜络结构使得复合材料具备较高的拉伸、压缩和弯曲强度，并且有效的解决了传统复合材料预制体存在的浸渍不完全的技术问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及仿生制造领域，具体而言，涉及ー种。
技术介绍
复合材料由于具有良好的综合性能、比重小等特点被广泛的应用于航空航天、汽车、人造生物组织以及高级体育用品等方面。近些年，随着科技水平的不断上升，各个行业对复合材料的需求量越来越大，同时所需求的复合材料制件也向着大型化、复杂化的方向发展。这就要求复合材料在制备过程中除了克服复合材料受カ容易分层的问题外，孔隙率高、干纤维较多等浸溃不完全的问题也有待改善。三维编织方法的出现解决了传统复合材料承受外界冲击时会产生分层的问题，但是三维编织复合材料预制体在随后浸溃树脂过程中，仍然会有浸溃不完全的缺陷。三维编织预制体由于纤维之间接触紧密，整体力学性能上提升，但是正是由于纤维之间紧密的结合，在浸溃过程中树脂难以完全浸透预制体，纤维束之间容易出现孔隙，浸溃后复合材料仍会由于存在孔隙、干纤维等缺陷而降低其力学性能，因此对于成型エ艺和浸溃设备等要求都比较高。尝试在复合材料的编织预制体结构上加以改迸，即在现有的先进的成型エ艺的条件下，通过改进预制体的空间结构，提高自身对树脂等基体材料的浸润能力，这样在解决孔隙率和干纤维等问题的同时，还能有效的提高浸溃速率，并且解决了对现有成型设备要求严苛的问题，从而节省了复合材料生产成本，減少了生产能耗
技术实现思路
本专利技术g在提供ー种，以解决现有技术中复合材料预制体浸溃不完全的技术问题。为了实现上述目的，根据本专利技术的ー个方面，提供了ー种具有仿生结构的复合材料的制备方法。该方法包括以下步骤1)基于建模得到的丝瓜络结构模型构建导向装置并确定纤维缠绕顺序；2)在导向装置上按照所确定的纤维缠绕顺序进行纤维的缠绕，得到仿生丝瓜络结构作为复合材料预制体；3)将仿生丝瓜络结构与基体结合形成复合材料。进ー步地，导向装置包括导向模板，导向套群，包括多根导向套，导向套固定设置在导向模板上，导向套上根据仿生丝瓜络结构模型中的节点位置设置凹槽，用于嵌合纤维。进ー步地，导向套的材料为碳纤维或金属；纤维的材料为碳纤维、芳纶纤维、或金属丝。进ー步地，基体为聚合物或金属，其中，聚合物包括环氧树脂、酚醛树脂、氨基树月旨、不饱和聚酯。根据本专利技术的另ー个专利技术，提供ー种具有仿生结构的复合材料。该复合材料包括按照仿生丝瓜络结构模型获得的仿生丝瓜络结构，以及基体，填充在仿生丝瓜络结构中。进ー步地，仿生丝瓜络结构包括导向套群，由多根导向套构成；纤维，按照根据仿生丝瓜络结构模型确定的纤维缠绕顺序缠绕在导向套群上。进ー步地，导向套上设置有用于嵌合纤维的凹槽。进ー步地，仿生丝瓜络结构包括多个结构单元，每个结构单元包括横向纤维层和与横向纤维层交叉设置的导向套群。进ー步地，横向纤维层内的纤维与每个导向套群中的各导向套的节点均不在同一个平面内。应用本专利技术的具有仿生结构的复合材料的制备方法，可以模拟构建ー种具有仿生丝瓜络结构的复合材料，而这种仿生丝瓜络结构使得复合材料具备较高的拉伸、压缩和弯曲強度，并且有效的解决了传统复合材料预制体存在的浸溃不完全的技术问题。附图说明M说明书附图用来提供对本专利技术的进ー步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中图I示出了根据本专利技术实施例的复合材料的仿生丝瓜络结构的主视结构示意图；图2示出了根据本专利技术实施例的复合材料的仿生丝瓜络结构的结构单元的主视结构示意图；图3示出了根据本专利技术实施例的复合材料的仿生丝瓜络结构的结构单元的纤维编织路径示意图；图4示出了根据本专利技术实施例的复合材料的仿生丝瓜络结构的结构单元的俯视结构示意图。具体实施例方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将參考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。丝瓜络是葫芦科植物丝瓜的成熟果实的微管束，主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，全体系是由错综复杂生长的丝状纤维交织而成的空间网状物。其横截面可见三个贯穿纵向的“B”字形孔洞，将孔洞的外层纤维网切开，呈现出丝瓜络的内部空间结构，主要由排布不规则的横向纤维层和外层密集的纵向纤维紧密连接构成。内部纤维层是立体结构而不是层合结构，即同一纤维层与各纵向纤维的连接点并不在同一个平面内；并且同一纤维层与单个纵向纤维的连接点也以节点群的形式存在，即某ー纤维层所包含的各个纤维束与同一纵向纤维的连接点并不是同一处，而是以一定的规律分布在一段区域内。这样上下两层纤维层与两侧的纵向纤维形成了一个类似半封闭的空间，此空间原本是用来储存丝瓜籽的，除去丝瓜籽后的丝瓜络就是由这些半封闭孔洞和构成孔洞的排列复杂的纤维组成。丝瓜络的轴向由于外层纵向纤维层的存在，使得Z向的抗冲击能力比较高，并且在纵向纤维包裹的内部结构上，由于无序的孔洞的存在，同时构成这些孔洞的排列复杂的纤维较密集，并且其横向纤维与纵向纤维保持着紧密的连接，使得丝瓜络在承受外界作用カ时，各向均有承载载荷的支撑结构，则具有较高的拉伸、压缩和弯曲強度，同时上述孔洞的存在，使得具有这种三维结构的预制体在浸溃树脂等基体材料时更容易浸润完全，能够有效地解决传统复合材料存在的孔隙率高、干纤维等问题。根据本专利技术ー种典型的实施方式，具有仿生结构的复合材料预制体的建模方法包括以下步骤1)对丝瓜络的空间结构特征值进行统计与分析，得特征值的平均数值；2)基于特征值的平均数值进行建摸，得到初级丝瓜络结构模型，初级丝瓜络结构模型包含相互连接的多个结构単元；3)对初级丝瓜络结构模型进行有限元受カ分析，井根据初级丝瓜络结构模型的受カ变形云图对结构单元进行结构调整，得到丝瓜络结构模型作为复合材料预制体的结构模型。本专利技术的专利技术人创造性的将丝瓜络这种结构应用于复合材料预制体的制备，从而使复合材料具备较高的拉伸、压缩和弯曲強度，并且有效的解决了传统复合材料预制体存在的浸溃不完全的技术问题。丝瓜络的空间结构特征值的设定能够较准确的描述丝瓜络的空间结构即可。优选地，丝瓜络的空间结构特征值包括整体丝瓜络及丝瓜络内的结构单元的纵向纤维之间的距离长度、横向纤维与纵向纤维的节点群的位置、节点群中各个节点之间的位相关系、各节点所连接的纤维之间的空间夹角大小以及空间结构単元内纤维的各类特征长度值。其中，纵向纤维之间的距离长度对应每两根导向套之间的距离，节点群的位置对应单层纤维层与导向套连接点们的位置，各个节点之间的位相关系具体说应该是每层纤维层中三个纤维束之间的位相关系-相互夹角和与导向套连接点之间的距离等，以上的结构特征值是结构单 元也是整体结构的特征值。本专利技术中，建模可以采用CAD等软件，有限元受カ分析可以采用ANSYS等软件，当然其他相关软件也可应应用于此。根据本专利技术ー种典型的实施方式，具有仿生结构的复合材料的制备方法包括以下步骤1)基于建模得到的丝瓜络结构模型构建导向装置并确定纤维缠绕顺序；2)在导向装置上按照所确定的纤维缠绕顺序进行纤维的缠绕，得到仿生丝瓜络结构作为复合材料预制体；3)将仿生丝瓜络结构与基体结合形成复合材料；；其结合的过程可以采用浸溃的方法。优选地，导向装置包括导向模板和多根导向套群，其中，导向套固定设置在导向模板上，导向套上根据复合材料预制体的结构模型中的节点位置设置凹槽，用于容置嵌合纤维。优选地，导向套的材料为碳纤维或金属；纤维的材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有仿生结构的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)基于建模得到的丝瓜络结构模型构建导向装置并确定纤维缠绕顺序；2)在所述导向装置上按照所确定的纤维缠绕顺序进行纤维的缠绕，得到仿生丝瓜络结构作为复合材料预制体；3)将所述仿生丝瓜络结构与基体结合形成所述复合材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：单忠德，吴晓川，康怀镕，
申请(专利权)人：机械科学研究总院先进制造技术研究中心，
类型：发明
国别省市：