具体实施方式

本发明提供一种轻质抗弯扭仿生复合材料及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

自然界中有许多轻质、高强、高韧性、高比刚度、抗弯扭材料供研究人员学习与研究，从中获取灵感，进行组合仿生设计以应用于日常的设计制造。鸟作为一种飞行动物，在效率和时间上远远超过哺乳动物(蝙蝠)、昆虫等其他飞行动物。有研究表明，鸟类之所以具有如此高效的飞行能力，是由于其羽毛与骨头的结构特性，正是由于羽毛的这种特殊的结构特征组合，使鸟羽在轻质和弯曲/扭转刚度和强度之间实现了平衡。发明人发现，由于鸟类在飞行过程中，鸟羽会受到弯曲和扭转的影响，致使鸟羽具有一些特殊的结构特征：羽轴外皮质层较致密，由β角蛋白纤维按一定顺序排布组成，羽毛的外层很薄，由环向包裹的纤维组成，在羽根和近轴端的背侧有一层厚的纵向纤维。这种纤维排列通常用于合成复合材料的设计中，通过防止弯曲时的轴向分裂来抑制轴向纤维的分离。沿着羽轴，在远端轴的背侧和腹侧，纵向纤维增加，外周纤维减少。由于弹性模量是由局部纤维结构决定的，沿羽毛长度的轴向模量增加，所以纵向排列纤维的比例越高。羽轴侧壁为交叉纤维结构，这些纤维在背腹弯曲导致主要剪应力的这个区域的取向为±45°。在扭转时，纤维沿轴向应力对齐，与轴向的应力为±45°，从而使在对背腹弯曲刚度影响最小的情况下提高了扭转刚度，同时，可以在没有屈曲的情况下发生侧向挠度，从而大大降低了刚度；内部为呈现出一种中空的结构的髓质层，由β角蛋白组成，且孔隙的排布是外层较为致密，内层较疏松。在羽毛发生扭转时，羽轴皮质层提供了很好的扭转性能，在发生弯曲时，羽轴皮质层与髓质层共同作用，抵抗弯曲性能。由于髓质层的多孔结构，羽轴还拥有良好的抗压缩性能，且能吸收大量的能量，为羽轴提供了了更高的强度来抵抗局部屈服强度。发明人发现，羽毛羽枝结构由β角蛋白纤维组成，这些纤维以一种方式定向排列，以最大限度地抵抗弯曲和扭转，尤其羽尖处羽小枝纤维与轴线成30°角的排布方式，使其能提供更高强度的承受能力。同时羽轴皮质层、髓质层之间的连接为脊状结构，皮质层完美贴合髓质层，增强了材料的抗剥离能力。羽毛这种薄而致密的外部结构和强化的内部结构，以及复合的微观结构是鸟类独有的特征。这些特征协同作用，使鸟类具有优越的抗弯扭复合载荷能力的超轻结构。生物的此类结构性能为实现工程材料中轻质、高强、高韧性、高比刚度、抗弯扭性能的要求提供了较为良好的思路。

受自然界中鸟羽的羽枝、羽轴纤维排布方式的启示，为解决传统抗弯扭材料的比刚度不足，质量大，抗弯扭性能不足的问题，本发明提供了一种轻质抗弯扭仿生复合材料，如图1-图2所示，其包括从下至上依次层叠设置的底层10、下隔板层20、中空结构中间层30、上隔板层40以及外层50；所述中空结构中间层30包括从下至上依次层叠设置的一级致密孔结构31、疏松孔上层结构32、一级疏松孔结构33、疏松孔下层结构34以及二级致密孔结构35；所述一级致密孔结构31、一级疏松孔结构33以及二级致密孔结构35均由编织纤维树脂层组成，所述编织纤维树脂层由纬向纤维和经向纤维交替缠绕在芯膜上组成。

本实施例通过将外层、底层按照羽毛羽枝、羽轴纤维排布方式对纤维进行铺层设计，可以增强仿生复合材料的抗弯扭性能；通过将上隔板层、下隔板层按照羽毛羽轴脊状结构设计，可以增强仿生复合材料的层间抗剥离能力；通过将中空结构中间层按照羽毛羽轴结构进行中空阵列设计，且中空结构中间层为外密內疏的方式排列，首先可以降低材料的重量，其次这种编织的外密内疏的中空结构可以增加材料的比刚度，当材料发生弯曲时，中空结构的上表面承受拉应力，下表面承受拉压力，增强了材料的抗弯性能及韧性。

经实验验证，本实施例提供的轻质抗弯扭仿生复合材料较金属抗弯扭材料，重量减轻40％～50％；比强度较传统金属材料提升了5％～10％；抗弯扭性能较传统金属材料增加了5％～15％，可广泛应用于航空、航天、轨道交通以及汽车工业等诸多领域。

在一些实施方式中，所述纬向纤维按“∞”字型在纬向交替缠绕在芯膜上，所述经向纤维按“§”字型在经向交替缠绕在芯膜上。具体来讲，如图3所示，所述纬向纤维和经向纤维均为100～400根纤维原丝加捻而成，角度取向为与中心轴线成30°～60°的夹角，以增加纤维的韧性。如图4所示，所述纬向纤维312呈“∽”字型上下缠绕于水平方向(纬向)的芯模311上，在最左右侧芯模处，所述纬向纤维呈现出“∞”字型缠绕芯模，根据所述水平方向的芯模311的形状不同，编织出不同形状的中空结构；当上下缠绕水平芯模完成一层时，按照“∽”字型的反向开始新的缠绕，完成两个不同方向的缠绕为一个周期，进行若干周期，直至缠满芯模。如图5所示，所述经向纤维313呈“s”字型上下缠绕于垂直方向(经向)的芯模上，在最上下侧芯模处纤维呈现出“§”字型缠绕芯模，当上下缠绕垂直芯模完成一层时，按照“s”字型的反向开始新的缠绕，完成两个不同方向的缠绕为一个周期，进行若干周期，直至缠满芯模。所述经向纤维与所述纬向纤维共同作用组成编织纤维树脂层，使材料具有中空结构。所述经向纤维与水平轴线可有一定角度。

在一些具体的实施方式中，所述经向纤维可与水平轴线呈现±45°夹角，当材料发生扭转时，经向纤维沿轴向应力对齐，与轴向的应力为±45°，一方面可以在保证对材料弯曲刚度影响最小的情况下提高了扭转刚度，另一方面可以在没有屈曲的情况下发生侧向挠度，从而大大降低了刚度。

在一些实施方式中，如图2所示，所述中空结构中间层30的排列方式为外密内疏，所述一级致密孔结构31和二级致密孔结构35中的芯膜直径均大于所述一级疏松孔结构33的芯膜直径。在本实施例中，通过采用不同直径的芯膜制备不同致密程度的结构，使得所述中空结构中间层30呈现为外密内疏的排列方式，这种排列方式可以降低材料的重量，其次这种编织的外密内疏的中空结构中间层可以增加材料的比刚度，当材料发生弯曲时，中空结构中间层的上表面承受拉应力，下表面承受拉压力，增强了材料的抗弯性能及韧性。

在一些具体的实施方式中，所述一级致密孔结构和二级致密孔结构中的芯膜直径为100-1000μm，所述一级疏松孔结构的芯膜直径为200-2000μm。

在一些实施方式中，所述芯模可加工铸造成不同的形状，如图2所述，所述芯膜为圆柱体，使得所述一级疏松孔结构的截面形状为圆形；如图6所示，所述芯膜可为四面体，使得制备的所述一级疏松孔结构的截面形状为四边形；如图7所示，所述芯膜可为六面体，使得制备的所述一级疏松孔结构的截面形状为六边形。本实施例提供的芯膜形状以及编织方式不仅可以减轻材料的重量，而且可以大大提升材料的层间抗剥离性能。

在一些实施方式中，如图2所示，所述疏松孔上层结构32和疏松孔下层结构33均由二维编织纤维布铺排而成的二维编织纤维树脂层组成；所述二维编织包括平纹交织、斜纹交织、缎纹交织中的一种或多种，但不限于此。构成所述二维编织纤维树脂层的纬向纤维和经向纤维厚度为1～4mm。

在一具体实施方式中，所述二维编织纤维树脂层的纤维布采用平纹交织，其由纬向纤维和经向纤维一上一下规律交织而成。

在一些实施方式中，如图1所示，所述上隔板层40和下隔板层20均由纤维布单向铺排而成的单向纤维树脂层组成，所述纤维布与水平轴线呈±42.5°的夹角；所述上隔板层40和下隔板层20靠近所述中空结构中间层30的一面为曲面，增强材料的结合强度；所述上隔板层40和下隔板层20远离所述中空结构中间层30的一面为平面。

在一些实施方式中，如图1和图8所示，所述底层10包括从下至上一侧层叠设置的一级底层11、二级底层12、三级底层13以及四级底层14，所述一级底层11由第一纤维布单向铺排而成的第一单向纤维树脂层组成，所述二级底层12由第二纤维布单向铺排而成的第二单向纤维树脂层组成，所述三级底层13由第三纤维布单向铺排而成的第三单向纤维树脂层组成，所述四级底层14由第四纤维布单向铺排而成的第四单向纤维树脂层组成。如图8所示，受鸟羽轴外层纤维启发，所述第一纤维布与水平轴线呈180°的夹角；受鸟背腹纤维取向的启发，所述第二纤维布与水平轴线呈30°～60°或者-30°～-60°的夹角，优选的，所述第二纤维布可与水平轴线呈±45°夹角，以提高材料的抗扭性能；受鸟羽羽尖的羽小枝纤维取向为30°时，抗弯强度最强的启发，所述第三纤维布与水平轴线呈30°～60°或者-30°～-60°的夹角，优选的，所述第三纤维布与水平轴线呈±30°时，可提高材料的抗弯性能；所述第四纤维布与水平轴线呈90°的夹角。

在一些实施方式中，如图1和图9所示，所述外层50包括从向下至上依次层叠设置的一级外层51、二级外层52、三级外层53以及四级外层54，所述一级外层51由第五纤维布单向铺排而成的第五单向纤维树脂层组成，所述二级外层52由第六纤维布单向铺排而成的第六单向纤维树脂层组成，所述三级外层53由第七纤维布单向铺排而成的第七单向纤维树脂层组成，所述四级外层54由第八纤维布单向铺排而成的第八单向纤维树脂层组成。如图9所示，受鸟羽轴外层纤维启发，所述第五纤维布与水平轴线呈180°的夹角；受鸟背腹纤维取向的启发，所述第六纤维布与水平轴线呈30°～60°或者-30°～-60°的夹角，优选的，所述第六纤维布可与水平轴线呈±45°夹角，以提高材料的抗扭性能；受鸟羽羽尖的羽小枝纤维取向为30°时，抗弯强度最强的启发，所述第七纤维布与水平轴线呈30°～60°或者-30°～-60°的夹角，优选的，所述第七纤维布与水平轴线呈±30°时，可提高材料的抗弯性能；所述第八纤维布与水平轴线呈90°的夹角。

在一些具体的实施方式中，构成所述底层10、外层50的单向纤维树脂层，构成所述一级致密孔结构31、一级疏松孔结构33、二级致密孔结构35的编织纤维树脂层，以及构成所述疏松孔上层结构32、疏松孔下层结构34的二维编织纤维树脂层均由浸渍有树脂的纤维布组成。所述树脂为环氧树脂、酚醛树脂中的一种或多种，但不限于此；所述纤维布为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、凯夫拉纤维中的一种或多种，但不限于此。通过浸渍树脂，使得纤维束之间、纤维束与纤维布之间及纤维布与纤维布之间通过物理、化学作用很好地结合在一起，从而提高了所述仿生轻质抗弯扭仿生复合材料的力学性能。

在一些具体的实施方式中，所述单向纤维树脂层、所述编织纤维树脂层及所述二维编织纤维树脂层中纤维的重量百分比为60％～80％，保证了纤维树脂层的比强度。

在一些实施方式中，所述芯膜为热膨胀芯膜，所述芯膜材料为橡胶材料、氨基甲酸乙酯泡沫材料或聚甲基丙烯酰亚胺泡沫材料中的一种，但不限于此。

在一些实施方式中，还提供一种轻质抗弯扭仿生复合材料的制备方法，其包括步骤：

S10、加工或铸造不同形状、不同尺寸的芯模，具体可使用橡胶材质、氨基甲酸乙酯泡沫材料或聚甲基丙烯酰亚胺泡沫材料加工或铸造圆柱、四面体、六面体形状的不同尺寸的热膨胀芯模；

S20、准备模具，并涂敷脱模剂，将其进行干燥，配置树脂溶液，将纤维浸入树脂中，浸润成纤维树脂层和纤维束；

S30、将纤维树脂层通过手糊成型的方式铺敷成第一单向纤维树脂层、第二单向纤维树脂层、第三单向纤维树脂层、第四单向纤维树脂层、第五单向纤维树脂层、第六单向纤维树脂层、第七单向纤维树脂层以及第八单向纤维树脂层；将纤维树脂层通过手糊成型的方式铺敷二维编织树脂层；

S40、将浸渍过树脂的纤维束通过手糊成型的方式按照纬向成“∞”字型，经向成“§”字型缠绕在芯模的外壁，形成编织纤维树脂层；

S50、先将编织纤维树脂层放置于模具中，加温、加压固化后得到一级致密孔结构、一级疏松孔结构和二级致密孔结构，随后脱模，具体来讲，若热膨胀芯模为橡胶材质，在脱模后需挤出；若热膨胀芯模为氨基甲酸乙酯泡沫材料、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫材料中的一种，可留在材料内，以增强材料的抗冲击性能；

S60、将二维编织树脂层置于脱模后的一级致密孔结构与一级疏松孔结构中间以及一级疏松孔结构与二级致密孔结构中间，形成中空结构中间层；

S70、将单向纤维树脂层置于脱模后的中空结构中间层上下两侧，再将其整体置于模具中，加温加压固化后脱模，在所述中空结构中间层上下分别形成上隔板层和下隔板层；

S80、将所述第四单向纤维树脂层、第三单向纤维树脂层、第二单向纤维树脂层、第一单向纤维树脂层依次层叠在所述下隔板层，将第五单向纤维树脂层、第六单向纤维树脂层、第七单向纤维树脂层以及第八单向纤维树脂层依次层叠在所述上隔板层上，再将其放置于模具中，加温加压固化后脱模，在所述上隔板层上形成外层，在所述下隔板层上形成底层，从而制得所述轻质抗弯扭仿生复合材料。

在本实施例中，在固化过程中所采用的固化剂为聚醚胺或异佛尔酮二胺等，所述加温温度为80℃～150℃，所述加压压力为1MPa～5MPa，所述固化时间为24-48h。

综上所述，本发明提供的轻质抗弯扭仿生复合材料中，外层和底层的单向纤维树脂层铺排角度按照羽毛羽枝、羽轴的角度按照0°/45°/-45°/30°/90°进行铺层设计，使材料的抗弯扭性能得到进一步地提升；上、下隔板采用一侧为平面、一侧为曲面结构增强材料的结合强度；中空结构中间层采用纤维缠绕模具编织形成的外密内疏中空结构，首先可以降低材料的重量，其次这种编织方式可以增强材料的抗剥离能力，而且这种编织的外密内疏的中空结构可以增加材料的比刚度，当材料发生弯曲时，孔结构的上表面承受拉应力，下表面承受拉压力，增强了材料的抗弯性能及韧性。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。