一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料
阅读说明：本技术 一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料 (Fiber reinforced composite material with scorpion-chelate-like structure and function ) 是由 韩奇钢 罗锐湘 韩志武 于 2021-01-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料,由多个螺旋结构相互嵌套形成三维的整体阵列结构,并在纵向由过渡层隔开；每个螺旋结构由纤维层铺排而成,所述纤维层由多根单向排列的纤维构成；所述纤维层绕垂直于纤维层板且在层板角处的扭转轴螺旋铺排,同时,所述螺旋结构绕垂直于扭转轴且在纤维层平面内的倾斜轴倾斜铺排；所述螺旋结构中存在随机分布的孔道。本发明通过对蝎子螯的结构进行仿生,在保证结构抗冲击性与厚度方向灵活性的同时,通过螺旋结构的嵌套与孔道小管结构有效地提高了纤维复合材料的抗弯剪能力。(The invention discloses a fiber reinforced composite material with a scorpion-chelate-like structure and functions, which is formed by mutually nesting a plurality of spiral structures to form a three-dimensional integral array structure and is separated by a transition layer in the longitudinal direction; each spiral structure is formed by laying fiber layers, and each fiber layer is formed by a plurality of fibers which are arranged in a single direction; the fiber layers are spirally laid around a torsion shaft which is vertical to the fiber layer plate and at the angle of the layer plate, and meanwhile, the spiral structures are obliquely laid around an inclined shaft which is vertical to the torsion shaft and in the plane of the fiber layers; randomly distributed channels are present in the helical structure. According to the invention, the bionic structure of the scorpion chela is adopted, so that the impact resistance and the flexibility in the thickness direction of the structure are ensured, and the bending and shearing resistance of the fiber composite material is effectively improved through the nesting of the spiral structure and the pore canalicular structure.)
技术领域
本发明涉及新材料领域中的复合材料技术领域，具体涉及一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料。
背景技术
为达到节能减排的目的，轻量化成为了目前交通工具制造业的热点与难题。在航空航天和汽车领域中使用较多的板材大多为合金材料。由于金属较大的分子量，实现轻量化较为困难，而由纤维增强的复合材料既可以达到板材机械性能的要求也可以实现轻量化的目的。
通过进化过程，自然生物形成特殊的结构——螺旋层状结构来抵抗天敌，捕获猎物。借助仿生学，这种结构应用于航空航天、汽车等复合层压板的抗冲击设计。传统的螺旋结构由层压板绕中心轴线铺排，这种结构具有良好的抗冲击性能，但是抗弯剪能力不足。而飞机，汽车等交通工具在使用过程中往往面对复杂的受力情况。在承受外部载荷时，传统结构的层压板易发生分层破坏，难以应对复杂的受力情况。
科研人员在蝎子螯中发现了新的螺旋层压结构。这种结构通过扭转与倾斜形成特殊的螺旋结构，同时，一个结构与它相邻的结构相互嵌套，从而在保持抗冲击性能的同时大大提高了材料的抗弯剪能力。但是对于这种结构的研究较少而且复制并合成这种结构也成为一项难题。
因此，通过对蝎子螯中特殊的螺旋结构进行仿生研究，模拟蝎子螯的结构进行纤维的铺排设计，为飞机、汽车在使用过程中遇到的复杂受力情况提供了良好的解决办法。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料，采用仿蝎子螯的纤维铺排结构，在保证抗冲击性的同时提高结构的抗弯剪能力。
为了实现上述目的，本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明提供一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料，其特征在于，所述复合材料由多个螺旋结构相互嵌套形成三维的整体整列结构，并在纵向由过渡层隔开；每个螺旋结构由纤维层逐层铺排而成，所述纤维层由多根单向排列的纤维构成；所述纤维层绕垂直于纤维层板且在层板角处的扭转轴螺旋铺排，同时，所述纤维层绕垂直于扭转轴且在纤维层平面内的倾斜轴倾斜铺排；所述螺旋结构中存在随机分布的孔道。
其中，所述相邻的纤维层扭转角增量为α，倾斜角增量为β。
上述的一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料中，所述螺旋结构分为上下两部分，纤维层从中间分别向上向下铺排。
上述的一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料中，所述螺旋结构上半部分纤维层沿Z轴正方向由0°顺时针逐层扭转至负90°；所述扭转轴垂直于第一层纤维平面且位于纤维层角处；所述相邻的纤维层扭转角增量α为((1.8±X)n)°，其中0≤X≤10，n为角度系数；所述螺旋结构的上半部分由90/α+1层纤维层铺成。
上述的一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料中，所述螺旋结构下半部分纤维层沿Z轴负方向由0°逆时针逐层扭转至正90°；所述扭转轴与Z轴平行；所述相邻的纤维层扭转角增量α为((1.8±X)n)°，其中0≤X≤10，n为角度系数；所述螺旋结构的下半部分由90/α+1层纤维层铺成。
上述的一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料中，所述螺旋结构上半部分与下半部分的倾斜轴在纤维层平面内相互垂直；所述纤维层绕倾斜轴分别从中间层向上由0°逐层倾斜铺排至正90°、向下逐层倾斜铺排至负90°；所述相邻的纤维层倾斜角增量β与扭转角增量α相等。
上述的一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料中，所述螺旋结构上下两部分中间层纤维取向的夹角为γ，其中0°≤γ≤90°；所述螺旋结构中总的扭转角与倾斜角均为180°，总层数为180/α+2层，形成一个周期；所述扭转角与高度成反比，从最下层的正90°减小到最上层的负90°；所述倾斜角与高度成正比，从最下层的负90°增大到最上层的正90°；经过扭转与倾斜后，最上层，中间层，最下层纤维层所在平面相互垂直。
上述的一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料中，所述螺旋结构在二维平面内与其相邻结构嵌套，在Z方向上由过渡层隔开；所述过渡层为具有正交排列或平行排列方式的纤维层结构。
上述的一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料中，所述螺旋结构的螺旋线具有非连续性与不对称性，在Z方向上穿过过渡层时，扭转角与倾斜角跳动了180°，在新的螺旋结构重新扭转倾斜。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的一种具有高抗弯剪能力的仿蝎子螯结构纤维增强复合材料，仿生纤维铺排方式基于蝎子螯结构，不同于传统螺旋结构绕中心为轴扭转，而是绕纤维层板角扭转，既保证了结构的抗冲击性，又提供了螺旋结构嵌套的条件。
2、本发明提供的一种具有高抗弯剪能力的仿蝎子螯结构纤维增强复合材料，在扭转的同时，纤维层逐层倾斜，不仅为螺旋结构的嵌套提供了条件，还使弯曲性能提高了10％～25％，并且将所有纤维层中的剪切应变降低20％～30％。
3、本发明提供的一种具有高抗弯剪能力的仿蝎子螯结构纤维增强复合材料，由于离轴扭转、倾斜与嵌套，增加了裂纹在螺旋结构中的传播路径，裂纹分层和桥接两种裂纹扩散机制需要消耗更多的能量，由于裂纹传播路径延长，结构的断裂韧性提高20％～30％。螺旋结构呈现波浪形，多个螺旋结构相互嵌套，预计使结构的抗冲击的性能提高10％～20％。
4、本发明提供的一种具有高抗弯剪能力的仿蝎子螯结构纤维增强复合材料，螺旋结构由薄的过渡层隔开，提高了结构完整性。
5、本发明提供的一种具有高抗弯剪能力的仿蝎子螯结构纤维增强复合材料，具有平行于Z轴的孔道，孔道纤维包裹泡沫材料填充孔道，泡沫材料具有良好的能量吸收特性，预计使螺旋结构剪切强度提高20％～30％。
综上所述，本发明仿照蝎子螯中的结构铺排纤维层，与传统的螺旋结构铺排相比，既保证了结构的抗冲击性，又使结构的抗弯剪能力大大提高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为蝎子螯内表皮纵向切面示意图。
图2为蝎子螯内表皮中放大的单个螺旋结构示意图。
图3为蝎子螯中随机分布的孔道示意图。
图4为本发明实施例提供的纤维层绕扭转轴扭转示意图。
图5为本发明实施例提供的纤维层绕倾斜轴倾斜示意图。
图6为本发明实施例提供的纤维层扭转与倾斜示意图。
图7为本发明实施例提供的中间层正交排列的螺旋结构模型图。
图8为本发明实施例提供的中间层平行排列的螺旋结构模型图。
图9为本发明实施例提供的仿生纤维增强复合材料的结构模型示意图。
附图标记说明：
1-蝎子螯内表皮中的螺旋结构；2-白色部分为蝎子螯内表皮中分隔螺旋结构的胶原纤维层；3-白点表示随机分布的孔道；4-中间层一；5-中间层二；6-泡沫材料；7-虚线代表一个螺旋结构；8-仿蝎子螯内表皮中胶原纤维层的过渡层结构。
具体实施方式
为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
蝎子螯的内表皮主要由多个通过扭转与倾斜形成的螺旋结构1嵌套而成，如图1所示。螺旋结构在三维空间中排列时，通过胶原纤维层2分隔。在蝎子螯内表皮纵向存在随机分布的孔道3，如图3所示，蝎子螯中的孔道纤维为中空结构，可以作为传输管道，例如传输所需要的矿物质等，同时，也具有力学性能，可提高面内刚度。
如图4-9所示，本发明中一种仿生纤维增强复合材料纤维层的铺排方式基于蝎子螯中的胶原纤维铺排顺序，由多个螺旋结构7相互嵌套形成整体结构，如图9所示；每个螺旋结构7由纤维层逐层铺排而成，如图7所示，所述纤维层由多根单向排列的纤维构成；所述纤维层绕垂直于纤维层板且在层板角处的扭转轴螺旋铺排，同时，所述纤维层以垂直于扭转轴且在纤维层平面内的倾斜轴逐层倾斜铺排，如图7所示；本实施方式中采用均匀分布的细小孔道，孔道由泡沫材料6填充，如图9所示，孔道还可以有其它的大小与分布方式；过渡层结构8仿照蝎子螯内表皮中胶原纤维层2的结构分隔每层螺旋结构。此外，在整体结构中可以除去孔道结构与过渡层结构，简化整体结构。
本发明提供的一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料的制备方法为：
以螺旋结构中间平面为XY平面，纤维层右上角为坐标原点，纤维层中过原点的纤维为X轴建立坐标系。纤维层从XY平面开始分别沿Z轴正方向与负方向铺排。
纤维层绕位于纤维层角处的扭转轴扭转，此时，扭转轴与Z轴平行，如图4所示。铺排的纤维层与下一层间的扭转角增量α为((1.8±X)n)°，其中0≤X≤10，n为角度系数。一个螺旋结构的纤维层共扭转180°，因此，纤维层的铺排层数与扭转角增量成反比，即纤维层数为180/α+2层，其中，扭转角越大，纤维层数越小。如图5所示，纤维层绕垂直于扭转轴且在纤维层平面内的倾斜轴铺排，纤维层与下一层间的倾斜角增量β与扭转角增量α相等，一个螺旋结构共倾斜180°。如图6所示，螺旋结构为扭转与倾斜的复合。
同时，在复合材料中存在均匀分布的细小孔道，孔道内具有孔道纤维，如图9所示。这些孔道及孔道纤维平行于Z轴。由于结构中不需要传送物质，因此，在孔道纤维中填充具有高能量吸收特性的泡沫材料6，进一步提高结构的抗裂能力。
本具体实施方式中以扭转角增量α和倾斜角增量β为4.5°为例。螺旋结构上下两部分中间层纤维取向的夹角γ为90°。由于总的扭转角为180°，因此，纤维层数为42，即螺旋结构上半部分为21层，下半部分为21层。对模仿蝎子螯结构的一种仿生纤维增强复合材料的纤维层铺排方式描述如下：
定义XY平面以上为螺旋结构上半部分，且铺排的第一层定义为中间层一4，XY平面以下为螺旋结构下半部分，铺排的第一层为中间层二5。中间层一4与中间层二5为正交铺排，纤维取向垂直。
螺旋结构的上半部分以中间层一4为铺层基准，纤维层沿Z轴正向逐渐铺排。从中间层一4开始，每层的扭转角分别为：0°，-4.5°，-9°，-13.5°，-18°，-22.5°，-27°，-31.5°，-36°，-40.5°，-45°，-49.5°，-54°，-58.5°，-63°，-67.5°，-72°，-76.5°，-81°，-85.5°，-90°。
螺旋结构的下半部分从中间层二5沿Z轴负方向铺排，每层的扭转角大小与向上铺排时相同，符号相反。扭转角与纤维层高度成反比，纤维层越高，扭转角越小。
同时，以中间层一4，二5为铺层基准，绕倾斜轴逐渐倾斜。从中间层一4开始，沿Z轴正方向每层的倾斜角分别为：0°，4.5°，9°，13.5°，18°，22.5°，27°，31.5°，36°，40.5°，45°，49.5°，54°，58.5°，63°，67.5°，72°，76.5°，81°，85.5°，90°。从中间层二5沿Z轴负方向铺排时，每层的倾斜角大小与向上铺排时相同，符号相反。倾斜角与纤维层高度成正比，纤维层越高，倾斜角越大。最终，最上层纤维层中的纤维，最下层纤维与中间层纤维异面垂直，如图7所示。此外，中间层一4与中间层二5的纤维取向夹角γ可以为0°，铺排得到的螺旋结构如图8所示。
由于扭转与倾斜，螺旋结构在二维平面内可以相互嵌套形成整体结构。
在螺旋结构层间通过过渡层分隔。此时，过渡层具有正交结构，上层纤维取向与位于其上的螺旋结构最下层纤维平行，下层与位于其下的螺旋结构最上层纤维平行。孔道及孔道纤维平行于Z轴，均匀分布在整体结构中。
此外，纤维层的扭转角增量也可以变化，进而改变纤维层数，使结构在厚度方向上具有灵活性。例如：
扭转角增量α与倾斜角增量β选定为3°，此时，纤维层数为62层；
中间层一4与中间层二5平行排列。扭转角从中间层一4开始沿Z轴正方向分别为：0°，-3°，-6°，-9°，-12°，-15°，-18°，-21°，-24°，-27°，-30°，-33°，-36°，-39°，-42°，-45°-48°，-51°，-54°，-57°，-60°，-63°，-66°，-69°，-72°，-75°，-78°，-81°，-84°，-87°，-90°。从中间层二5开始沿Z轴负方向的扭转角大小与沿Z轴正方向相同，符号相反；
倾斜角从中间层一4开始沿Z轴正方向分别为：0°，3°，6°，9°，12°，15°，18°，21°，24°，27°，30°，33°，36°，39°，42°，45°48°，51°，54°，57°，60°，63°，66°，69°，72°，75°，78°，81°，84°，87°，90°。从中间层二5开始沿Z轴负方向的倾斜角大小与沿Z轴正方向相同，符号相反。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
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