具有抗冲击自修复功能的轻质蜂窝夹层结构及其制备方法
阅读说明：本技术 具有抗冲击自修复功能的轻质蜂窝夹层结构及其制备方法 (Light honeycomb sandwich structure with impact-resistant self-repairing function and preparation method thereof ) 是由 杨喆 孙超男 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明属于冲击材料技术领域,针对现有技术中存在的高速碰撞会引起轻质夹层结构的大变形损伤的技术问题,本发明公开了具有抗冲击自修复功能的轻质蜂窝夹层结构及其制备方法,包括上面板、下面板和蜂窝芯层,上面板、下面板分别通过真空焊接方式焊接在蜂窝芯层的上端面、下端面,通过压塑工艺,将具有抗冲击自修复功能的EMAA材料填充于轻质夹层结构的芯材空间中,获得了具有自修复功能的自修复蜂窝夹层结构。利用弹道靶冲击试验进行新型自修复轻质夹层结构的自修复功能的验证。利用三点弯曲试验研究新型自修复轻质夹层结构的弯曲力学响应和吸能行为。将自修复、轻量化集合为一体的新型自修复轻质夹层结构,在许多工业领域有着重大潜在应用。(The invention belongs to the technical field of impact materials, and discloses a light honeycomb sandwich structure with an impact-resistant self-repairing function and a preparation method thereof, aiming at the technical problem that high-speed collision in the prior art can cause large deformation damage of the light honeycomb sandwich structure. And (4) verifying the self-repairing function of the novel self-repairing light sandwich structure by using a ballistic target impact test. A three-point bending test is utilized to research the bending mechanical response and the energy absorption behavior of the novel self-repairing light sandwich structure. The novel self-repairing light sandwich structure integrating self-repairing and light weight has important potential application in many industrial fields.)
技术领域
本发明属于冲击材料技术领域，具体涉及具有抗冲击自修复功能的轻质蜂窝夹层结构及其制备方法。
背景技术
轻质夹层结构由于质量轻、比强度高、比刚度高和耐冲击等特性，广泛应用于包装工程、飞行器蒙皮、高铁蒙皮等领域。Zhang等人利用试验和有限元模拟手段研究了轻质夹层结构在压缩和冲击载荷作用下的响应。Yungwirth，Wadley等人研究了夹层板在不同冲击速度下的弹道响应和破坏机理。Dharmasena，Wadley等人研究了轻质夹层结构在爆炸载荷下的变形和能力吸收行为，描述了面板和芯材的破坏机理。许多学者研究了将轻质夹层结构的芯材空间里填充泡沫铝材料，陶瓷材料，混凝土，聚氨酯等来增加或提高轻质夹层结构的新功能，这些工作已经被Han Bin等人整理成了综述。
自修复是生物体进化过程中出现的基本功能，这一功能可以实质性的提高生物体对自然环境的适应能力。受启发于生物体的自修复能力，许多专家学者在自修复功能材料领域进行了大量的研究，形成了大量的研究成果，部分成果已经汇编成综述或图书。自修复材料可以分为本征型自修复和外援型自修复两种。本征型自修复机理是可以利用材料内部的化学键进行反复的自修复，而不需要添加外部的修复剂，主要包括可重复的共价键，氢键，金属配位键和π-π相互作用等。外援型自修复主要包括布置微胶囊和微血管的方法，由于微胶囊和微血管的材料量的限制，外援型自修复只能修复有限的次数。尽管有着大量的研究针对微裂纹、划痕等小尺寸损伤的自修复，针对如子弹冲击破孔这种大尺寸损伤的自修复依然较少。目前针对大尺寸损伤的自修复机理主要包括离子聚合物，硫醇-烯遇氧聚合反应，和可以修复大尺寸损伤的微血管系统。
目前看来，尽快通过引入新材料增加了轻质夹层结构许多功能，但是自修复功能仍然未见报道。然而，对于轻质夹层结构的自修复性能有着很大的潜在需求，比如在高铁、航空航天、危化品运输等领域，高速碰撞会引起轻质夹层结构的大变形损伤，而自修复可以在一定程度上避免损伤。因此，如何研发一种具有抗冲击自修复功能的轻质夹层结构，将轻质夹层结构与冲击条件下自修复的EMAA材料相结合，同时获得轻量化功能和冲击自修复功能，有助于解决高铁、航天航空中冲击损伤相关的关键科学问题。
发明内容
针对现有技术中存在的高速碰撞会引起轻质夹层结构的大变形损伤的技术问题，本发明的目的在于提供具有抗冲击自修复功能的轻质蜂窝夹层结构及其制备方法。通过压塑工艺，将具有抗冲击自修复功能的EMAA材料填充于轻质夹层结构的芯材空间中，获得了具有自修复功能的自修复蜂窝夹层结构。利用弹道靶冲击试验进行新型自修复轻质夹层结构的自修复功能的验证。利用三点弯曲试验研究新型自修复轻质夹层结构的弯曲力学响应和吸能行为。将自修复、轻量化集合为一体的新型自修复轻质夹层结构，在许多工业领域有着重大潜在应用。
本发明采取的技术方案为：
具有抗冲击自修复功能的轻质蜂窝夹层结构，包括上面板、下面板和蜂窝芯层，上面板、下面板分别通过真空焊接方式焊接在蜂窝芯层的上端面、下端面，所述上面板和下面板均设置为平面板状结构，所述蜂窝芯层设置为中空六棱块体结构(横截面呈正六边形的中空棱体结构)。
进一步的，所述蜂窝芯层填充了自修复EMAA材料，自修复EMAA材料为一种部分中和的乙烯-甲基丙烯酸聚合物，其包含有5.4mol％的甲基丙烯酸基团和，其中的30％用Na+进行中和。
更进一步的，所述自修复EMAA材料在试验使用前，将其放在75℃的真空干燥箱中48小时，用于排出水分。
进一步的，其用于弹道靶试验，所述蜂窝芯层厚度h设置为10mm，蜂窝芯层壁厚t设置为0.06mm，所述蜂窝芯层设置为小蜂窝夹层或大蜂窝夹层，小蜂窝夹层的边长L设置为8mm；大蜂窝夹层的边长L设置为15mm。
进一步的，所述上面板、下面板和蜂窝芯层均采用不锈钢材料制备而成。
具有抗冲击自修复功能的轻质蜂窝夹层结构的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)首先将下面板和蜂窝芯层通过胶水进行粘贴，然后将其放置于石棉绳设置的模具之中，模具高度为25mm，大于蜂窝夹层结构的高度；
(2)再将蜂窝芯层的空间中和模具中倒满EMAA颗粒，在模具的上下面均放置一层聚酰亚胺膜，用于防止EMAA与压片机上下金属表面的粘合(这一步暂时不放上面板)；
(3)将压片机的上下压片均设置150℃的温度，对步骤(2)制备的样品施加1kN的初始压力，逐步施压直至蜂窝芯层的内部空间全部被EMAA材料填充满；
(4)关掉压片机的加热功能，样品在压力保持下自然冷却至室温后取出；
(5)通过铣削将多余材料的去除，然后将上面板放置于完成的下半部分之上之后整体放回到压片机，将上压片下压压住样品后，保持150℃的温度2小时后自然冷却取出，制备得到成品。
进一步的，所述步骤(3)中将压片机的上下压片之间的距离压缩至与蜂窝芯层金属结构的厚度11.05mm相同；所述步骤(4)中自然冷却的时间控制在8小时以上；所述步骤(5)中样品在进行下一步试验前，在25℃的常温环境中存放28天，使EMAA材料内部达到稳定的状态。
本发明的有益效果为：
1、本发明设计了新型自修复蜂窝夹层结构，给出了自修复轻质夹层结构的热压制备方法及工艺参数，通过在蜂窝夹层结构的蜂窝空间中填充具有自修复功能的乙烯-甲基丙烯酸共聚物(EMAA)材料，完成自修复蜂窝夹层结构的设计。
2、针对新型自修复轻质夹层结构和空轻质夹层结构进行了弹道靶冲击试验，分析了自修复蜂窝夹层结构在弹道靶冲击下的变形、破坏及自修复过程及机理；通过弹道靶冲击试验，验证了新型自修复蜂窝夹层结构具有抗冲击自修复的能力。
3、针对新型自修复轻质夹层结构和空轻质夹层结构进行了三点弯曲试验研究，三点弯曲试验表明，新型自修复轻质夹层结构比普通轻质夹层结构具有更加优异的载荷-位移响应，新型自修复轻质夹层结构比空轻质夹层结构的承载能力、吸能能力和比吸能能力均有很大提高，同时发现了EMAA材料与金属夹层结构的协同效应，使得新型自修复轻质夹层结构的抗弯曲载荷及能量远大于空轻质夹层结构与EMAA板的抗弯曲载荷之和，新型自修复轻质夹层结构的承载能力大幅提升，抗弯曲力学性能十分优异。
4、本发明中的自修复蜂窝夹层结构，有着迅速的抗冲击自修复能力和优异的抗弯曲力学性能(抗弯曲载荷-位移响应)、轻量化设计，在高铁、航空航天、危化品运输等工程领域有着很大的潜在应用。
附图说明
图1为本发明中蜂窝胞元示意图；
图2为本发明中自修复轻质夹层结构的制备工艺流程图；
图3为本发明中自修复蜂窝夹层结构和空蜂窝夹层结构样品图；
图4为本发明中自修复蜂窝夹层结构抗冲击自修复过程分析图；
图5为本发明中自修复蜂窝夹层结构和空蜂窝夹层结构受弹击后的形貌对比图；
图6为本发明中纯EMAA板、空蜂窝夹层结构、自修复蜂窝夹层结构的1mm/min速度三点弯曲力-位移曲线图；
图7为本发明中空蜂窝夹层结构、自修复蜂窝夹层结构、纯EMAA板的1mm/min三点弯曲变形过程图；
图8为本发明中纯EMAA板、空蜂窝夹层结构、自修复蜂窝夹层结构的1mm/min三点弯曲能量-位移曲线图；
图9为本发明中纯EMAA板、空蜂窝夹层结构、自修复蜂窝夹层结构的1mm/min三点弯曲比吸能-位移曲线图；
具体实施方式
在本发明中，设计并加工了新型自修复轻质夹层结构，选取可抗冲击自修复的EMAA材料，采用热塑性树脂压塑工艺，将EMAA材料与轻质蜂窝夹层结构相结合，获得了不同尺寸的新型自修复蜂窝夹层结构。利用弹道靶子弹冲击试验验证了新型自修复结构的冲击自修复性能，利用三点弯曲试验进行了新型自修复夹层结构与空轻质夹层结构、纯EMAA板的抗弯曲性能对比，同时通过对比几种结构的吸能量和比吸能量，获取了新型自修复轻质夹层结构的弯曲力学性能的充分表征。下面结合附图进一步说明本发明。
实施例1
如图1所示，具有抗冲击自修复功能的轻质蜂窝夹层结构，包括上面板、下面板和蜂窝芯层，上面板、下面板分别通过真空焊接方式焊接在蜂窝芯层的上端面、下端面，所述上面板和下面板均设置为平面板状结构，所述蜂窝芯层设置为中空六棱块体结构(横截面呈正六边形的中空棱体结构)。
蜂窝芯层填充了自修复EMAA材料，自修复EMAA材料选用了杜邦公司的沙林8940树脂材料，自修复EMAA材料为一种部分中和的乙烯-甲基丙烯酸聚合物，沙林8940离子聚合物包含有5.4mol％的甲基丙烯酸基团和，其中的30％用Na+进行中和。
自修复EMAA材料在试验使用前，将其放在75℃的真空干燥箱中48小时，用于排出水分。
实施例2
如图2所示，具有抗冲击自修复功能的轻质蜂窝夹层结构的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)首先将下面板和蜂窝芯层通过胶水进行粘贴，然后将其放置于石棉绳设置的模具之中，模具高度为25mm，大于蜂窝夹层结构的高度；
(2)再将蜂窝芯层的空间中和模具中倒满EMAA颗粒，在模具的上下面均放置一层聚酰亚胺膜，用于防止EMAA与压片机上下金属表面的粘合(这一步暂时不放上面板)；
(3)将压片机的上下压片均设置150℃的温度，对步骤(2)制备的样品施加1kN的初始压力，逐步施压直至蜂窝芯层的内部空间全部被EMAA材料填充满，将压片机的上下压片之间的距离压缩至与蜂窝芯层金属结构的厚度11.05mm相同；
(4)关掉压片机的加热功能，样品在压力保持下自然冷却至室温后取出(时间控制在8小时以上)；
(5)通过铣削将多余材料的去除，然后将上面板放置于完成的下半部分之上之后整体放回到压片机，将上压片下压压住样品后，保持150℃的温度2小时后自然冷却取出，制备得到成品。
所述步骤(5)中样品在进行下一步试验前，在25℃的常温环境中存放28天，使EMAA材料内部达到稳定的状态。
实施例3
自修复蜂窝夹层结构样品如图3所示，具有抗冲击自修复功能的轻质蜂窝夹层结构，其用于弹道靶试验，所述蜂窝芯层厚度h设置为10mm，蜂窝芯层壁厚t设置为0.06mm，所述蜂窝芯层设置为小蜂窝夹层或大蜂窝夹层，小蜂窝夹层的边长L设置为8mm；大蜂窝夹层的边长L设置为15mm。
上面板、下面板和蜂窝芯层均采用不锈钢材料制备而成。
如图3(a)，图3(a1)所示，空蜂窝夹层板三点弯试验样品尺寸为170*35*12mm，质量约为150g；如图3(a2)所示，自修复蜂窝夹层板的外形尺寸质量约为200g；三点弯试验中的纯EMAA板尺寸为170*35*10mm，质量约为50g。
本发明又一实施例
如图4所示，是自修复蜂窝夹层结构抗冲击自修复过程的理论分析示意图，但由于蜂窝壁的阻隔，EMAA材料并无法连成一体，因此子弹冲击位置容易导致自修复蜂窝夹层结构的自修复过程有一些差别，如图4中的备注所示，典型的子弹冲击位置包括蜂窝交叉点、蜂窝壁和蜂窝内部；但由于蜂窝壁非常薄(t＝0.06mm)，因此其在子弹冲击过程中的塑性变形破坏对具有10mm厚度的EMAA材料的影响非常小，而且其塑性变形后占用很小的空间也不影响EMAA材料的弹回和粘性回流自修复过程，因此对于此自修复蜂窝夹层结构，子弹冲击位置不影响其自修复过程。如图4(1)为自修复蜂窝夹层结构在受冲击之前的示意图，一个具有高初始速度的子弹自左至右冲击自修复蜂窝夹层结构，自修复蜂窝夹层结构中填充有EMAA材料。图4(2)为初始冲击阶段，子弹侵彻破坏了前面板，开始形成花瓣状的塑性变形，在EMAA中开始形成弹性波向前传播，引起材料的弹性变形。如图4(3)所示，为侵彻阶段一，子弹进入结构的中部，结构的前面板的花瓣形塑性变形已经完成，子弹进入到EMAA材料内部。蜂窝芯层也在子弹的冲击下形成塑性破坏。EMAA材料存在弹性变形和粘弹性变形，在子弹的冲击和摩擦下，EMAA局部达到熔点发生熔化。如图4(4)所示，为侵彻阶段二，EMAA材料开始沿着白色箭头方向弹回，结构的后面板开始出现花瓣状塑性变形。由于EMAA材料有着良好的弹性，在高温下又有一定的流动性，子弹头部推着EMAA材料向前运动。如图4(5)所示，为侵彻后阶段，子弹完全穿过自修复蜂窝夹层结构，留下了金属材料的塑性变形，EMAA材料完全弹回并开始进行粘性的回流重塑阶段。如图4(6)所示为自修复阶段，也是整个冲击自修复过程的最后一个阶段，在此阶段EMAA材料内部通过氢键和离子键的作用迅速自修复，弹孔处完全修复封堵，未留下任何残余弹孔。
本发明又一实施例，自修复蜂窝夹层结构冲击自修复试验结果。
如图5所示为自修复蜂窝夹层结构和空蜂窝夹层结构在5.56mm子弹侵彻后的形貌对比。图5(a)为子弹冲击空蜂窝夹层结构1(小空蜂窝夹层结构)的形貌图，图5(a1)是子弹冲击后空蜂窝夹层结构前面板形貌图，形成了一个8mm直径的圆孔，图5(a2)是子弹冲击后空蜂窝夹层结构后面板的形貌图，形成了10mm的规则圆孔形形貌破坏；图5(b)为子弹冲击自修复蜂窝夹层结构1(小自修复蜂窝夹层结构)的形貌图，在图5(b2)中可以看到，小自修复蜂窝夹层结构可以完全修复，在EMAA层没有任何小孔残留。与之前的小自修复蜂窝夹层结构相比，这是由于蜂窝芯层壁厚较薄，其塑性变形对EMAA层修复的影响很小，同时，小蜂窝夹层结构的EMAA层厚度L＝10mm，导致EMAA层的厚度(L＝10mm)/子弹口径(d＝5.56mm)大于本结构的修复极限，可以完全修复。图5(c)为子弹冲击空蜂窝夹层结构2(大蜂窝夹层结构)的破坏形貌图，前后面板的破坏形式与图5(a)中的小蜂窝夹层结构类似，前后弹孔直径分别为8mm和12mm，弹孔为非常规则的圆孔形。图5(d)为子弹冲击自修复蜂窝夹层结构2(大自修复蜂窝夹层结构)，大自修复蜂窝夹层结构与小自修复蜂窝夹层结构的厚度均为10mm，只是蜂窝壁的边长大一些，从图5(d1，d2)中可以看到大自修复蜂窝夹层结构可以完全修复，在EMAA层无残余小孔。这一结果表明了新型自修复蜂窝夹层结构的抗冲击自修复的可行性。
本发明又一实施例，自修复蜂窝夹层结构三点弯试验结果。
如图6所示，为纯EMAA板、空蜂窝夹层结构、自修复蜂窝夹层结构在1mm/min压缩速度下的三点弯曲力-位移曲线。自修复蜂窝夹层结构的力-位移响应比空蜂窝夹层结构明显大许多，二者的载荷峰值分别为3.85kN和0.23kN。纯EMAA板表现出了低刚度的弹性响应，力-位移曲线表现出了单调上升的趋势，在32mm压头位移时，载荷仅有0.2kN。图6中的每个点和图7中的每个点是一对一对应的，图7为1mm/min速度下的几种样品三点弯曲的过程图片。在图7(6-b)中也可以看到，EMAA材料和金属上面板开始脱离，并在后续的过程中脱离更加明显。因此，EMAA材料与蜂窝芯层、面板间的协同效应导致了自修复蜂窝夹层结构具有优良的弯曲力-位移响应，力学性能的提升幅度较大。
如图8所示，是纯EMAA板、空蜂窝夹层结构、自修复蜂窝夹层结构的1mm/min三点弯曲能量-位移曲线。图8中的能量-位移曲线是图7中的力-位移曲线在位移轴上的积分。因此，在吸能量方面，EMAA材料与蜂窝夹层结构之间的协同效应更加明显，自修复蜂窝夹层结构在吸能量方面相比空蜂窝夹层结构具有明显优势。
图9为纯EMAA板、空蜂窝夹层结构、自修复蜂窝夹层结构的1mm/min速度三点弯曲比吸能-位移曲线，图9为图8中各条曲线除以各部分的质量获得，获得的参数为各样品在1mm/min三点弯曲下的比吸能量，可以看到对于自修复蜂窝夹层结构，在32mm处的比吸能量为0.58J/g，比纯EMAA板的比吸能量都明显高许多。
因此，自修复蜂窝夹层结构的弯曲力学响应由于EMAA材料和蜂窝夹层结构的金属材料的协同效应，达到了1+1>2的效果，同时考虑到其具有先进的抗冲击自修复效果，这种新型复合结构在高铁、航空航天、危化品运输等许多工业领域都有着潜在的应用价值。
以上所述并非是对本发明的限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。