專利名稱：具有仿生結(jié)構的復合材料的制作方法
技術領域：
具有仿生結(jié)構的復合材料技術領域[0001]本實用新型涉及仿生制造領域，具體而言，涉及一種具有仿生結(jié)構的復合材料。
背景技術：
[0002]復合材料由于具有良好的綜合性能、比重小等特點被廣泛的應用于航空航天、汽 車、人造生物組織以及高級體育用品等方面。近些年，隨著科技水平的不斷上升，各個行業(yè) 對復合材料的需求量越來越大，同時所需求的復合材料制件也向著大型化、復雜化的方向 發(fā)展。這就要求復合材料在制備過程中除了克服復合材料受力容易分層的問題外，孔隙率 高、干纖維較多等浸潰不完全的問題也有待改善。[0003]三維編織方法的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)復合材料承受外界沖擊時會產(chǎn)生分層的問題，但 是三維編織復合材料預制體在隨后浸潰樹脂過程中，仍然會有浸潰不完全的缺陷。三維編 織預制體由于纖維之間接觸緊密，整體力學性能上提升，但是正是由于纖維之間緊密的結(jié) 合，在浸潰過程中樹脂難以完全浸透預制體，纖維束之間容易出現(xiàn)孔隙，浸潰后復合材料仍 會由于存在孔隙、干纖維等缺陷而降低其力學性能，因此對于成型工藝和浸潰設備等要求 都比較高。嘗試在復合材料的編織預制體結(jié)構上加以改進，即在現(xiàn)有的先進的成型工藝的 條件下，通過改進預制體的空間結(jié)構，提高自身對樹脂等基體材料的浸潤能力，這樣在解決 孔隙率和干纖維等問題的同時，還能有效的提高浸潰速率，并且解決了對現(xiàn)有成型設備要 求嚴苛的問題，從而節(jié)省了復合材料生產(chǎn)成本，減少了生產(chǎn)能耗。實用新型內(nèi)容[0004]本實用新型旨在提供一種具有仿生結(jié)構的復合材料，以解決現(xiàn)有技術中復合材料 預制體浸潰不完全的技術問題。[0005]為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本實用新型的一個方面，提供了一種具有仿生結(jié)構的復 合材料。該復合材料包括仿生絲瓜絡結(jié)構，以及基體，填充在仿生絲瓜絡結(jié)構中。[0006]進一步地，仿生絲瓜絡結(jié)構包括導向套群，由多根導向套構成；纖維，纏繞在根 導向套群上。[0007]進一步地，導向套上設置有用于嵌合根纖維的凹槽。[0008]進一步地，仿生絲瓜絡結(jié)構包括多個結(jié)構單元，每個結(jié)構單元包括橫向纖維層和 與根橫向纖維層交叉設置的導向套群。[0009]進一步地，橫向纖維層內(nèi)的纖維與每個導向套群中的各根導向套的節(jié)點均不在同 一個平面內(nèi)。[0010]本實用新型的具有仿生結(jié)構的復合材料具有仿生絲瓜絡結(jié)構，而這種仿生絲瓜絡 結(jié)構使得復合材料具備較高的拉伸、壓縮和彎曲強度，并且有效的解決了傳統(tǒng)復合材料預 制體存在的浸潰不完全的技術問題。


[0011]說明書附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本實用新型的一部分，本 實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的不當限 定。在附圖中[0012]圖1示出了根據(jù)本實用新型實施例的復合材料的仿生絲瓜絡結(jié)構的主視結(jié)構示 意圖；[0013]圖2示出了根據(jù)本實用新型實施例的復合材料的仿生絲瓜絡結(jié)構的結(jié)構單元的 主視結(jié)構不意圖；[0014]圖3示出了根據(jù)本實用新型實施例的復合材料的仿生絲瓜絡結(jié)構的結(jié)構單元的 纖維編織路徑示意圖；[0015]圖4示出了根據(jù)本實用新型實施例的復合材料的仿生絲瓜絡結(jié)構的結(jié)構單元的 俯視結(jié)構示意圖。
具體實施方式
[0016]需要說明的是，在不沖突的情況下，本實用新型中的實施例及實施例中的特征可 以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本實用新型。[0017]絲瓜絡是葫蘆科植物絲瓜的成熟果實的微管束，主要成分是纖維素、半纖維素和 木質(zhì)素，全體系是由錯綜復雜生長的絲狀纖維交織而成的空間網(wǎng)狀物。其橫截面可見三個 貫穿縱向的“B”字形孔洞，將孔洞的外層纖維網(wǎng)切開，呈現(xiàn)出絲瓜絡的內(nèi)部空間結(jié)構，主要 由排布不規(guī)則的橫向纖維層和外層密集的縱向纖維緊密連接構成。內(nèi)部纖維層是立體結(jié)構 而不是層合結(jié)構，即同一纖維層與各縱向纖維的連接點并不在同一個平面內(nèi)；并且同一纖 維層與單個縱向纖維的連接點也以節(jié)點群的形式存在，即某一纖維層所包含的各個纖維束 與同一縱向纖維的連接點并不是同一處，而是以一定的規(guī)律分布在一段區(qū)域內(nèi)。這樣上下 兩層纖維層與兩側(cè)的縱向纖維形成了一個類似半封閉的空間，此空間原本是用來儲存絲瓜 籽的，除去絲瓜籽后的絲瓜絡就是由這些半封閉孔洞和構成孔洞的排列復雜的纖維組成。 絲瓜絡的軸向由于外層縱向纖維層的存在，使得Z向的抗沖擊能力比較高，并且在縱向纖 維包裹的內(nèi)部結(jié)構上，由于無序的孔洞的存在，同時構成這些孔洞的排列復雜的纖維較密 集，并且其橫向纖維與縱向纖維保持著緊密的連接，使得絲瓜絡在承受外界作用力時，各向 均有承載載荷的支撐結(jié)構，則具有較高的拉伸、壓縮和彎曲強度，同時上述孔洞的存在，使 得具有這種三維結(jié)構的預制體在浸潰樹脂等基體材料時更容易浸潤完全，能夠有效地解決 傳統(tǒng)復合材料存在的孔隙率高、干纖維等問題。[0018]本實用新型中的具有仿生結(jié)構的復合材料預制體的建模方法包括以下步驟1) 對絲瓜絡的空間結(jié)構特征值進行統(tǒng)計與分析，得特征值的平均數(shù)值；2)基于特征值的平均 數(shù)值進行建模，得到初級絲瓜絡結(jié)構模型，初級絲瓜絡結(jié)構模型包含相互連接的多個結(jié)構 單元；3)對初級絲瓜絡結(jié)構模型進行有限元受力分析，并根據(jù)初級絲瓜絡結(jié)構模型的受力 變形云圖對結(jié)構單元進行結(jié)構調(diào)整，得到絲瓜絡結(jié)構模型作為復合材料預制體的結(jié)構模 型。本實用新型的實用新型人創(chuàng)造性的將絲瓜絡這種結(jié)構應用于復合材料預制體的制備， 從而使復合材料具備較高的拉伸、壓縮和彎曲強度，并且有效的解決了傳統(tǒng)復合材料預制 體存在的浸潰不完全的技術問題。[0019]絲瓜絡的空間結(jié)構特征值的設定能夠較準確的描述絲瓜絡的空間結(jié)構即可。優(yōu)選地，絲瓜絡的空間結(jié)構特征值包括整體絲瓜絡及絲瓜絡內(nèi)的結(jié)構單元的縱向纖維之間的 距離長度、橫向纖維與縱向纖維的節(jié)點群的位置、節(jié)點群中各個節(jié)點之間的位相關系、各節(jié) 點所連接的纖維之間的空間夾角大小以及空間結(jié)構單元內(nèi)纖維的各類特征長度值。其中， 縱向纖維之間的距離長度對應每兩根導向套之間的距離，節(jié)點群的位置對應單層纖維層與 導向套連接點們的位置，各個節(jié)點之間的位相關系具體說應該是每層纖維層中三個纖維束 之間的位相關系-相互夾角和與導向套連接點之間的距離等，以上的結(jié)構特征值是結(jié)構單 元也是整體結(jié)構的特征值。[0020]本實用新型中，建?？梢圆捎肅AD等軟件，有限元受力分析可以采用ANSYS等軟 件，當然其他相關軟件也可應應用于此。[0021]本實用新型的具有仿生結(jié)構的復合材料的制備方法可以包括以下步驟1)基于 建模得到的絲瓜絡結(jié)構模型構建導向裝置并確定纖維纏繞順序；2)在導向裝置上按照所 確定的纖維纏繞順序進行纖維的纏繞，得到仿生絲瓜絡結(jié)構作為復合材料預制體；3)將仿 生絲瓜絡結(jié)構與基體結(jié)合形成復合材料；；其結(jié)合的過程可以采用浸潰的方法。[0022]優(yōu)選地，導向裝置包括導向模板和多根導向套群，其中，導向套固定設置在導向模 板上，導向套上根據(jù)復合材料預制體的結(jié)構模型中的節(jié)點位置設置凹槽，用于容置嵌合纖 維。[0023]優(yōu)選地，導向套的材料為碳纖維或金屬；纖維的材料為碳纖維、芳綸纖維、或金屬 絲。優(yōu)選地，填充物為聚合物或金屬，其中，聚合物包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、氨基樹脂、不飽 和聚酯。[0024]根據(jù)本實用新型一種典型的實施方式，具有仿生結(jié)構的復合材料包括按照復合材 料預制體的結(jié)構模型獲得的仿生絲瓜絡結(jié)構以及基體，其中，基體填充在仿生絲瓜絡結(jié)構 中。[0025]優(yōu)選地，仿生絲瓜絡結(jié)構包括導向套群和纖維，其中，導向套群由多根導向套構 成；纖維按照根據(jù)復合材料預制體的結(jié)構模型確定的纖維纏繞順序纏繞在導向套群上。具 有仿生結(jié)構的復合材料中的導向套群(相對于縱向纖維也可以叫做是Z向?qū)蛱兹?相當 于絲瓜絡的縱向纖維，呈絲瓜絡狀纏繞在導向套群上的纖維相當于絲瓜絡的橫向纖維。[0026]優(yōu)選地，導向套上設置有用于嵌合纖維的凹槽，防止纏繞在導向套上的纖維滑動。[0027]根據(jù)本實用新型一種典型的實施方式，仿生絲瓜絡結(jié)構可以是包括多個結(jié)構單 元，該結(jié)構單元中的導向套群根據(jù)實際需要進行排列，如可以將導向套群排布成不同的形 狀，如立方體、圓形等，每個結(jié)構單元包括橫向纖維層和與橫向纖維層交叉設置的導向套陣 列。例如，導向套陣列可以包括9根導向套，導向套成3X3陣列排列。導向套上在仿生絲 瓜絡狀結(jié)構的節(jié)點處設置有凹槽，即導向套外層有凹槽，并且凹槽的分布依據(jù)纖維與導向 套的連接點而定。根據(jù)本實用新型的實施例，纖維可以以導向套陣列中間的導向套為中心 進行纏繞，而此結(jié)構單元周圍的8根導向套又可以成為其他結(jié)構單元的中心，因此，各個結(jié) 構單元之間并不是獨立的。[0028]優(yōu)選地，具有仿生結(jié)構的復合材料的纖維層與各個導向套的節(jié)點不在同一個平面 內(nèi)，即單個纖維層與單個導向套的咬合是以節(jié)點群的形式存在，即單層的橫向纖維層與單 個導向套是以多個節(jié)點連接的，橫向纖維層與各個導向套的連接點不在同一個平面內(nèi)(如 圖1、2所示)，這樣有利于復合材料拉伸、壓縮和彎曲強度的改善。實施例[0029]首先研究絲瓜絡中孔洞排布規(guī)律、纖維絲之間的纏繞方式和橫、縱向纖維絲的結(jié) 合方式等結(jié)構特征，然后利用CAD進行模擬模型設計，并結(jié)合ANSYS軟件對建立的模型進行 調(diào)試完善，在Z向?qū)蛱咨显诩庸こ鲆览w維束與導向套的咬合點位置而定的嵌合槽，按一 定預制體結(jié)構要求將加工后的導向套有序排列在導向模板上，在編織時增強纖維遍歷所有 的導向套凹槽，即完成預制體的編制。該預制體內(nèi)部纖維層與Z向?qū)蛱拙o密結(jié)合，且預留 有大量供樹脂等基體流動的通道，不僅能避免脫層、受力變形等問題，還能有效改善浸潰過 程中氣泡難以排出、干纖維等問題，有效提高了復合材料綜合性能。[0030]該實施例的具體操作步驟如下[0031]步驟一對絲瓜絡的空間結(jié)構進行特征描述，包括對各個用來支撐整體結(jié)構的縱 向纖維之間的距離長度、橫向纖維與縱向纖維的連接點群(節(jié)點群)的位置、節(jié)點群中各 個節(jié)點之間的位相關系、各節(jié)點所連接的纖維之間的空間夾角大小以及空間結(jié)構單元內(nèi)纖 維束的各類特征長度值的絲瓜絡的結(jié)構特征值做統(tǒng)計與分析，得出上述各特征值的平均數(shù) 值；[0032]步驟二 利用各特征值在計算機上完成CAD模型的設計，得到仿生絲瓜絡空間 結(jié)構的預制體三維結(jié)構單元，如圖1所示的纖維I和導向套2構成，用有限元分析軟件如 ANSYS對所建立的結(jié)構模型進行受力分析，根據(jù)結(jié)構間的受力變形云圖對結(jié)構單元進行結(jié) 構上的微調(diào)，完善該仿生絲瓜絡的三維機構模型；[0033]步驟三在導向套外層加工凹槽，凹槽的分布依據(jù)模型中纖維與導向套的連接點 設定；[0034]步驟四將導向柱按上述結(jié)構模型排列在導向模板上，根據(jù)矩形的截面輪廓將帶 有凹槽的導向套排布在導向柱上，如圖3所示，將帶有凹槽的碳纖維導向套按3X3排列在 導向模板上，分別編號A-1，選取連續(xù)碳纖維束作為增強材料；[0035]步驟五在預制體制備時，按CAD模型中的三維結(jié)構，將纖維纏繞導向套的凹槽進 行編制，以三束纖維束構成的單層纖維為例，編織時由下而上一層一層編織，由導向套I開 始進行編織，纖維束依次纏繞導向套A-B-C-A-D-E-A-F-G-A-H-1，纖維束在導向套之間的纏 繞方式如圖3中帶箭頭直線所示，即同一纖維束與各導向套的咬合點不在同一平面內(nèi)；第 一道編織路徑3完成之后，纖維束回到初始位置一導向套I，此時開始第二次編織4，其路徑 為纖維束依次纏繞導向套B-A-C-D-A-E-F-A-G-H-A-1。兩道路徑完成之后預制體外層形成 了完整的纖維束包覆，預制體內(nèi)部形成大量寬闊的三角形的Z向通道。待纖維遍歷所有導 向套的凹槽后，取下纏繞纖維的導向套，完成預制體的編制，其結(jié)構單元的俯視結(jié)構示意圖 如圖4所示；[0036]步驟六將填充物浸潰進預制體中，得到具有仿生結(jié)構的復合材料。[0037]本實用新型通過仿生絲瓜絡的空間結(jié)構特征，建立復合材料預制體的三維結(jié)構， 提高復合材料綜合性能。相對已有的復合材料編織預制體的結(jié)構來說，本實用新型所提供 的仿生絲瓜絡的三維結(jié)構，其優(yōu)勢在于[0038](I)纖維層與導向套結(jié)合緊密，纖維層在長程范圍內(nèi)擺脫了層的概念，預制體整體 結(jié)構中，纖維層為立體分布的；[0039](2)有效降低浸潰過程中出現(xiàn)的氣泡難以排除、孔隙率高等浸潰不完全的問題；[0040](3)適用于大尺寸、形狀復雜的預制體制備，并且制備過程自動化程度高。[0041]以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)?！?br> 權利要求1.一種具有仿生結(jié)構的復合材料，其特征在于，包括 仿生絲瓜絡結(jié)構，以及 基體，填充在所述仿生絲瓜絡結(jié)構中。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有仿生結(jié)構的復合材料，其特征在于，所述仿生絲瓜絡結(jié)構包括 導向套群，由多根導向套構成； 纖維，纏繞在所述導向套群上。
3.根據(jù)權利要求2所述的具有仿生結(jié)構的復合材料，其特征在于，所述導向套上設置有用于嵌合所述纖維的凹槽。
4.根據(jù)權利要求1所述的具有仿生結(jié)構的復合材料，其特征在于，所述仿生絲瓜絡結(jié)構包括多個結(jié)構單元，每個所述結(jié)構單元包括橫向纖維層和與所述橫向纖維層交叉設置的導向套群。
5.根據(jù)權利要求4所述的具有仿生結(jié)構的復合材料，其特征在于，所述橫向纖維層內(nèi)的纖維與每個所述導向套群中的各所述導向套的節(jié)點均不在同一個平面內(nèi)。
專利摘要本實用新型公開了一種具有仿生結(jié)構的復合材料。該復合材料包括仿生絲瓜絡結(jié)構，以及基體，填充在仿生絲瓜絡結(jié)構中。本實用新型的具有仿生結(jié)構的復合材料具有仿生絲瓜絡結(jié)構，而這種仿生絲瓜絡結(jié)構使得復合材料具備較高的拉伸、壓縮和彎曲強度，并且有效的解決了傳統(tǒng)復合材料預制體存在的浸漬不完全的技術問題。
文檔編號B29C70/68GK202826435SQ20122026928
公開日2013年3月27日 申請日期2012年6月8日 優(yōu)先權日2012年6月8日
發(fā)明者單忠德, 吳曉川, 康懷镕 申請人:機械科學研究總院先進制造技術研究中心