一種仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板及其制備方法技術

本發明專利技術公開一種仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板及其制備方法，仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板，包括：由橫向加強筋與縱向加強筋組成的多孔結構芯層和上下面板結構，多孔結構芯層采用短纖環氧樹脂材料，上下面板采用變模量、變密度的混雜纖維環氧樹脂材料，且上下面板采用纖維鋪層設計，整體結構通過3D打印一體成型制備，形成一種仿生多孔結構復合材料夾芯板材，與傳統的夾芯板材結構相比，其比剛度、比強度進一步提升，緩解了因異質材料的屬性突變而引發的局部應力集中，解決了上下面板與芯層界面因應力集中而脫黏斷裂，提前破壞失效的難題。前破壞失效的難題。

【技術實現步驟摘要】
一種仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板及其制備方法


[0001]本專利技術涉及復合材料
，尤其涉及一種仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板及其制備方法。

技術介紹

[0002]近年來，中國的軌道客車不斷更新換代，軌道客車的客室內裝結構中的地板、側墻板、內頂板、間壁板、內外車門的門板等關鍵零部件對性能提升的要求日益增加，對客室內裝結構關鍵零部件的結構設計提出了新的要求。
[0003]傳統夾芯板材結構是由上下兩層高強度、高模量的薄面板和中間較厚的輕質芯材組成的結構材料，輕質芯子的作用是盡可能降低結構的重量，增加兩面板的截面慣性矩從而提高結構的抗彎曲剛度。面板粘接在芯子上，從而實現載荷在芯子和面板之間的傳遞。輕質芯子主要承受面外剪切載荷，而面板主要承受面內載荷和彎曲載荷。夾芯板材結構與普通單一材料相比具有比強度高，比剛度大等特點，但本身也存在著一些不可避免的缺陷，其中重要的一個是板材在承受低速沖擊時，面板與芯子之間無法完好地焊接在一起，造成面板與芯子的焊點處出現焊點脫開的情況，從而使得結構的力學性能大幅下降。所以尋找一種即可以使板材具有高比強度、比剛度，同時滿足抗低速沖擊性能的方法迫在眉睫。
[0004]即現有技術中傳統夾芯板材結構，受力時界面處會因為異質材料的屬性突變出現應力集中的現象，此處的大應力會使材料率先發生裂紋而使整體結構提前失效，從而造成現有傳統夾芯板材結構存在的受低速沖擊時，面板與芯子界面脫黏斷裂破壞的問題。
[0005]因此，現有技術還有待改進和發展。

技術實現思路
<br/>[0006]鑒于上述現有技術的不足，本專利技術的目的在于提供一種仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板及其制備方法，旨在解決現有傳統夾芯板材結構存在的受低速沖擊時，面板與芯子界面脫黏斷裂破壞的問題。
[0007]本專利技術的技術方案如下：
[0008]一種仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板，其中，所述仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板的整體結構包括：
[0009]由橫向加強筋與縱向加強筋組成的多孔結構芯層；
[0010]上面板、所述上面板設置在所述多孔結構芯層上表面；
[0011]下面板，所述下面板設置在所述多孔結構芯層下表面；
[0012]所述多孔結構芯層采用仿刺猬硬薄殼
?
柔性多孔芯層結構；所述上面板和所述下面板采用仿刺猬刺外殼纖維鋪排方式的復合材料板，且所述上面板和所述下面板采用纖維鋪層設置；
[0013]所述仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板的整體結構通過3D打印一體成型制備，形成一種仿生多孔結構復合材料夾芯板材。
[0014]所述的仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板，其中，所述多孔結構芯層采用短纖環氧樹脂材料芯層，所述上面板和所述下面板采用變模量、變密度的混雜纖維環氧樹脂材料板。
[0015]所述的仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板，其中，所述多孔結構芯層的橫向加強筋厚度、橫向加強筋間距與上下面板厚度的比值為1：7.54：5.8。
[0016]所述的仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板，其中，所述多孔結構芯層由纖維混雜復合材料3D打印成型，所述多孔結構芯層的比模量為0.29*105MPa。
[0017]所述的仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板，其中，所述上面板和所述下面板由外到內分為第一層、第二層、第三層，為仿刺猬刺外殼鋪排纖維模型。
[0018]所述的仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板，其中，所述第一層、第二層、第三層各由多層變角度纖維層組成，變角度纖維層中的單一纖維層含有多根纖維，多根纖維同向平行直鋪，單一纖維層間通過樹脂固化而形成連接。
[0019]所述的仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板，其中，所述第一層由比模量為(2.0
?
2.34)*105MPa的高模量碳纖維0
°
、
±
45
°
、90
°
交錯鋪排，所述第二層由比模量為0.58*105MPa的K
?
49Ⅳ芳綸纖維0
°
、
±
45
°
、90
°
交錯鋪排，所述第三層由比模量為0.29*105MPa的E玻璃纖維0
°
、
±
45
°
、90
°
交錯鋪排，且由外到內的第一層、第二層、第三層的纖維排布密度呈遞減的趨勢。
[0020]所述的仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板，其中，所述上面板、所述多孔結構芯層與下面板的厚度比為1：16：1。
[0021]一種實現任一項所述的仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板的制備方法，其中，包括步驟：
[0022]A：在纖維3D打印機上預先輸入仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板三維模型，并對所述上面板、所述芯層以及所述下面板材料進行預設置；
[0023]B：準備制備所述下面板，通過纖維3D打印機逐層打印：先更換3D打印機的打印材料為樹脂基碳纖維以打印所述下面板的第一層S1，然后更換3D打印機的打印材料為樹脂基芳綸纖維以打印所述下面板的第二層S2，然后再更換3D打印機的打印材料為樹脂基E玻璃纖維以打印所述下面板的第三層S3，以制備新型變模量、變密度的仿刺猬刺外殼纖維鋪排方式的復合材料板，形成所述上面板的制備；
[0024]C：更換3D打印機的打印材料為環氧樹脂混雜短纖材料，換用短纖環氧樹脂材料，通過纖維3D打印機制備所述多孔結構芯層；
[0025]D：準備制備所述上面板，通過纖維3D打印機逐層打印，先更換3D打印機的打印材料為樹脂基碳纖維以打印所述上面板的第一層S1，然后更換3D打印機的打印材料為樹脂基芳綸纖維以打印所述上面板的第二層S2，然后再更換3D打印機的打印材料為樹脂基E玻璃纖維以打印所述上面板的第三層S3，以在制備好的所述多孔結構芯層上，制備新型變模量、變密度的仿刺猬刺外殼纖維鋪排方式的復合材料板，以制備所述上面板。
[0026]所述的制備方法，其中，所述上面板和所述下面板制備由外到內分為第一層、第二層、第三層，為仿刺猬刺外殼鋪排纖維模型，第一層、第二層、第三層的密度由打印的纖維含量控制，由外到內纖維含量逐漸減少；所述上面板、下面板與中間夾心的多孔結構芯層通過3D打印一體成型制備。
[0027]有益效果：本專利技術提供的一種仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板及其制備方法，提供了混雜纖維鋪層面板與橫縱加強筋多孔芯層的設計與一體打印成型技術，通過仿生多孔結構與獨特的混雜纖維束鋪排方式，使得夾芯纖維復合材料板材結構具有比強度高，比剛度大性能的同時，在承受低速沖擊時，可以避免面板與芯子界面因應力集中而脫粘斷裂破壞，這種新型結構復合材料可滿足中國軌道客車的客室內裝結構中的地板、側墻板、內頂板、間壁板、內外車門的門板等關鍵零部件更高的需求：具輕質高強、高斷裂韌性、抗低速沖擊于一體的優異力學性能。
附圖本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板，其特征在于，所述仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板的整體結構包括：由橫向加強筋與縱向加強筋組成的多孔結構芯層；上面板、所述上面板設置在所述多孔結構芯層上表面；下面板，所述下面板設置在所述多孔結構芯層下表面；所述多孔結構芯層采用仿刺猬硬薄殼
?
柔性多孔芯層結構；所述上面板和所述下面板采用仿刺猬刺外殼纖維鋪排方式的復合材料板，且所述上面板和所述下面板采用纖維鋪層設置；所述仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板的整體結構通過3D打印一體成型制備，形成一種仿生多孔結構復合材料夾芯板材。2.根據權利要求1所述的仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板，其特征在于，所述多孔結構芯層采用短纖環氧樹脂材料芯層，所述上面板和所述下面板采用變模量、變密度的混雜纖維環氧樹脂材料板。3.根據權利要求1所述的仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板，其特征在于，所述多孔結構芯層的橫向加強筋厚度、橫向加強筋間距與上下面板厚度的比值為1：7.54：5.8。4.根據權利要求1所述的仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板，其特征在于，所述多孔結構芯層由纖維混雜復合材料3D打印成型，所述多孔結構芯層的比模量為0.29*105MPa。5.根據權利要求1所述的仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板，其特征在于，所述上面板和所述下面板由外到內分為第一層、第二層、第三層，為仿刺猬刺外殼鋪排纖維模型。6.根據權利要求5所述的仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板，其特征在于，所述第一層、第二層、第三層各由多層變角度纖維層組成，變角度纖維層中的單一纖維層含有多根纖維，多根纖維同向平行直鋪，單一纖維層間通過樹脂固化而形成連接。7.根據權利要求5所述的仿刺猬刺微結構輕量化抗沖擊復合材料板，其特征在于，所述第一層由比模量為(2.0
?
2.34)*105MPa的高模量碳纖維0
°
、
±
45
°
、90
°
交錯鋪排，所述第二層由比模量為0.58*105MPa的K
?
49Ⅳ芳綸纖維0
°
、
±

【專利技術屬性】
技術研發人員：張俊秋，秦曉靜，韓志武，李玉姣，李因武，牛士超，韓奇鋼，穆正知，李博，王澤，劉莉莉，齊爽，季然，黃純濤，
申請(專利權)人：吉林大學，
類型：發明
國別省市：