一种基于层级特性的超轻仿生复合材料管及其制备方法与流程

本发明涉及一种仿生复合材料管及其制备方法。

背景技术：

当代科技的不断发展使工业制造领域尤其是航空航天等高精尖领域对材料的性能提出了更多更高的要求，单一成分及结构的材料已经难以满足当前航空航天技术背景所要求的材料特殊或综合性能。当前，航空航天领域要求先进结构材料具有高强度、高韧性、轻量化、稳定性好等特点。对鸟羽、腿骨架的研究表明，其典型的类俄罗斯套娃多尺度多层级嵌套微观结构及多孔宏观结构，使其在具备高拉伸强度、弯曲强度、刚度和韧性的同时具备低密度。因此，鸟羽、腿骨架特殊的多尺度多层级嵌套结构可作为航空航天轻质高强高韧结构件设计的参考。

多级结构复合材料管体现了一种全新的材料结构设计思想，是由预制的多级尺寸复合材料单管经装配、灌装泡沫树脂填充固定制备而成的多层级复合管件结构。多级结构复合材料管不仅继承了复合材料的高强度、刚度，还具有仿自然生物体的高韧、轻质特点，因此，可应用于航空、航天、兵器等领域的承力结构材料，且具有大跨度下结构稳定性高的优势，特别适用于对重量要求苛刻的飞行器大跨度结构。

铝合金具有密度小、高比强度、高延展性，优良的导电性、导热性和抗蚀性等良好的综合性能及较低的成本等优点；钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高；基于上述优势，铝合金及钛合金在各个工业领域均开辟了广阔的应用前景。碳纤维复合材料的比强度和模量高，抗蠕变性能较优，耐疲劳性能优良，摩擦系数和磨损率低，导热、导电性能良好，热膨胀系数小，耐蚀性优良。芳纶纤维复合材料具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻、绝缘、抗老化、生命周期长等优良性能；超高模量聚乙烯纤维复合材料具有高比强度，高比模量，纤维密度低，断裂伸长低、断裂功大，具有很强的吸收能量的能力，具有突出的抗冲击性和抗切割性，抗紫外线辐射，防中子和γ射线，比能量吸收高、介电常数低、电磁波透射率高，耐化学腐蚀、耐磨性、有较长的挠曲寿命。因此被广泛应用于航空、航天等领域。对鸟羽骨架的研究表明，其微观结构是典型的类俄罗斯套娃层级结构，从宏观上讲鸟羽骨架是一种多孔结构，这是由于这种结构使得鸟羽骨架在满足刚度、强度和韧性的同时保持超轻量化。因此，鸟羽骨架的多级结构可作为航空航天轻质高强高韧结构件设计的参考。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于层级特性的超轻仿生复合材料管及其制备方法。

本发明提供了一种基于层级特性的超轻仿生复合材料管，它由多级合金管件、纤维、环氧树脂和泡沫树脂制备而成。

进一步地，所述基于层级特性的超轻仿生复合材料管的截面呈双轴对称排布或单轴对称排布。

进一步地，所述多级合金管件的材质为铝合金、工业纯钛或钛合金。

进一步地，所述铝合金为2024、6061、7075或7050。

进一步地，所述工业纯钛为ta1或ta2。

进一步地，所述钛合金为tc1、ta15或tb6。

进一步地，所述纤维为碳纤维、芳纶纤维或超高分子量聚乙烯纤维。

进一步地，所述树脂为热固性树脂或热塑性树脂。

进一步地，所述热固性树脂为酚醛树脂、环氧树脂或聚酰亚胺树脂；

进一步地，所述热塑性树脂为聚氯乙烯、聚乙烯或聚醚酮类树脂；

进一步地，所述泡沫树脂发泡聚丙烯epp、发泡环氧树脂e51、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂。

本发明提供了一种基于层级特性的超轻仿生复合材料管的制备方法，包括以下步骤：

一、合金管件的表面清洗：

对多级合金管件的表面进行清洗，得到清洗后的多级合金管件；

进一步地，所述对多级合金管件的表面进行清洗是按以下步骤完成的：

①、首先使用砂纸对多级合金管件进行打磨，去除多级合金管件表面的污垢；然后使用丙酮或无水乙醇对打磨后的多级合金管件清洗1次～3次，再将多级合金管件浸入到碱水或酸中5min～10min，最后使用清水冲洗去除多级合金管件表面的碱水或酸；

步骤①中所述碱水为浓度为20g/l～40g/l的氢氧化钠溶液；

步骤①中所述酸为浓度为50g/l的盐酸；

②、以清水为清洗剂，利用超声波清洗机对多级合金管件超声清洗30min～60min，再将多级合金管件浸入无水乙醇中30min～60min，最后取出；

③、用洁净的压缩空气对多级合金管件进行吹干，得到清洗后的多级合金管件；

二、制备纤维与合金管复合预制件：

①、铺胶：

按照多级合金管件的外表面尺寸分别剪裁环氧树脂胶膜，揭掉剪裁后的环氧树脂胶膜的一层防粘隔离纸，将剪裁后的环氧树脂胶膜分别粘贴于清洗后的多级合金管件的外表面，再揭掉环氧树脂胶膜的另一层防粘隔离纸；

进一步地，通过树脂对多级合金管件外表面的纤维浸胶处理是按以下步骤完成的：将缠绕纤维的多级合金管件浸入到装有树脂的树脂槽中，转动缠绕纤维的多级合金管件，使树脂完全浸渗于纤维之间，再通过压实辊、刮板去除多余的树脂，完成浸胶处理，得到浸胶处理后的多级合金管件；

②、缠绕纤维、固化：

将纤维分别缠绕在多级合金管件外表面的环氧树脂胶膜上，再通过树脂对多级合金管件外表面的纤维浸胶处理，再固化，得到多级复合材料管；

步骤二②中所述纤维缠绕方向为单向缠绕，缠绕角度为纤维与合金管件轴向所呈角度，缠绕角度为0°～+90°或0°～﹣90°；

进一步地，所述固化条件为：首先在压力为0.30±0.02mpa和温度为70℃～230℃的条件下固化0.5h～1h，再在压力为0.30±0.02mpa和温度为170℃～250℃的条件下固化0.5h～2h，再自然冷却，完成固化，得到多级复合材料管；

三、多级结构的装配：

按照直径的大小将多级复合材料管进行分级，直径最大的复合材料管为高级管件，直径小于高级管件的复合材料管为低级管件；将多个低级管件插入高级管件中，得到松散的装配体；利用拉拔设备将松散的装配体拉紧，使管件之间紧密接触；

四、填充泡沫树脂：

利用挡板将低级管件管口封闭，再将泡沫树脂灌入到管件之间的空隙中，发泡固化成型，再切除管件管口处多余的泡沫树脂，得到基于层级特性的超轻仿生复合材料管；

进一步地，所述发泡固化成型条件为：首先在150℃～200℃下固化3h～4h，然后在1.5h～2h内将温度降至70℃～80℃，再在70℃～80℃下保持30min～45min，最后取出，完成发泡固化成型。

本发明的有益效果是：

一、本发明基于对鸟羽、腿骨多尺度多层级嵌套及多孔结构的复制、还原及强化单元的提取和简化，提出了一种基于层级特性的超轻仿生复合材料管及其制备方法；

二、本发明的工艺简单，简便易行，制备出的超轻仿生复合材料管的层级数、各组元成分、体积分数可控，性能优异；该材料从仿生学角度进行结构的优化及设计，综合了轻质合金、纤维复合材料、泡沫树脂等多种材料的优点，具有强度高，刚度高，断裂韧性高，密度低，疲劳性能好等优点，适用于航空、航天等领域。

附图说明

图1为实施例一制备的截面呈双轴对称排布的基于层级特性的超轻仿生复合材料管的截面示意图；

图2为实施例二制备的截面呈单轴对称排布的基于层级特性的超轻仿生复合材料管的截面示意图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式一种基于层级特性的超轻仿生复合材料管由多级合金管件、纤维、树脂和泡沫树脂制备而成。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：所述基于层级特性的超轻仿生复合材料管的截面呈双轴对称排布或单轴对称排布。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述多级合金管件的材质为铝合金、工业纯钛或钛合金；所述纤维为碳纤维、芳纶纤维或超高分子量聚乙烯纤维；所述树脂为热固性树脂或热塑性树脂；所述泡沫树脂发泡聚丙烯epp、发泡环氧树脂e51、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂。其它步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述铝合金为2024、6061、7075或7050；所述工业纯钛为ta1或ta2；所述钛合金为tc1、ta15或tb6。其它步骤与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：所述热固性树脂为酚醛树脂、环氧树脂或聚酰亚胺树脂；所述热塑性树脂为聚氯乙烯、聚乙烯或聚醚酮类树脂。其它步骤与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式一种基于层级特性的超轻仿生复合材料管的制备方法是按以下步骤完成的：

一、合金管件的表面清洗：

对多级合金管件的表面进行清洗，得到清洗后的多级合金管件；

二、制备纤维与合金管复合预制件：

①、铺胶：

按照多级合金管件的外表面尺寸分别剪裁环氧树脂胶膜，揭掉剪裁后的环氧树脂胶膜的一层防粘隔离纸，将剪裁后的环氧树脂胶膜分别粘贴于清洗后的多级合金管件的外表面，再揭掉环氧树脂胶膜的另一层防粘隔离纸；

②、缠绕纤维、固化：

将纤维分别缠绕在多级合金管件外表面的环氧树脂胶膜上，再通过树脂对多级合金管件外表面的纤维浸胶处理，再固化，得到多级复合材料管；

步骤二②中所述纤维缠绕方向为单向缠绕，缠绕角度为纤维与合金管件轴向所呈角度，缠绕角度为0°～+90°或0°～﹣90°；

三、多级结构的装配：

按照直径的大小将多级复合材料管进行分级，直径最大的复合材料管为高级管件，直径小于高级管件的复合材料管为低级管件；将多个低级管件插入高级管件中，得到松散的装配体；利用拉拔设备将松散的装配体拉紧，使管件之间紧密接触；

四、填充泡沫树脂：

利用挡板将低级管件管口封闭，再将泡沫树脂灌入到管件之间的空隙中，发泡固化成型，再切除管件管口处多余的泡沫树脂，得到基于层级特性的超轻仿生复合材料管。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六的不同点是：步骤一中所述对多级合金管件的表面进行清洗是按以下步骤完成的：

①、首先使用砂纸对多级合金管件进行打磨，去除多级合金管件表面的污垢；然后使用丙酮或无水乙醇对打磨后的多级合金管件清洗1次～3次，再将多级合金管件浸入到碱水或酸中5min～10min，最后使用清水冲洗去除多级合金管件表面的碱水或酸；

步骤①中所述碱水为浓度为20g/l～40g/l的氢氧化钠溶液；

步骤①中所述酸为浓度为50g/l的盐酸；

②、以清水为清洗剂，利用超声波清洗机对多级合金管件超声清洗30min～60min，再将多级合金管件浸入无水乙醇中30min～60min，最后取出；

③、用洁净的压缩空气对多级合金管件进行吹干，得到清洗后的多级合金管件。其它步骤与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七的不同点是：步骤二②中通过树脂对多级合金管件外表面的纤维浸胶处理是按以下步骤完成的：将缠绕纤维的多级合金管件浸入到装有树脂的树脂槽中，转动缠绕纤维的多级合金管件，使树脂完全浸渗于纤维之间，再通过压实辊、刮板去除多余的树脂，完成浸胶处理，得到浸胶处理后的多级合金管件。其它步骤与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八的不同点是：步骤二②中所述固化条件为：首先在压力为0.30±0.02mpa和温度为70℃～230℃的条件下固化0.5h～1h，再在压力为0.30±0.02mpa和温度为170℃～250℃的条件下固化0.5h～2h，再自然冷却，完成固化，得到多级复合材料管。其它步骤与具体实施方式六至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九的不同点是：步骤四中所述发泡固化成型条件为：首先在150℃～200℃下固化3h～4h，然后在1.5h～2h内将温度降至70℃～80℃，再在70℃～80℃下保持30min～45min，最后取出，完成发泡固化成型。其它步骤与具体实施方式六至九相同。

实施例一：结合图1说明本实施例，本实施例一种截面呈双轴对称排布的基于层级特性的超轻仿生复合材料管的制备方法如下：

一、合金管件的表面清洗：

①、首先使用砂纸对多级合金管件进行打磨，去除多级合金管件表面的污垢；然后使用丙酮对打磨后的多级合金管件清洗3次，再将多级合金管件浸入到碱水中8min，最后使用清水冲洗去除多级合金管件表面的碱水；

步骤一①中所述多级合金管件由19根直径为24mm的合金管和一根直径为120mm的合金管组成；

步骤一①中所述多级合金管件的材质为6061铝合金；

步骤一①中所述碱水为浓度为20g/l的氢氧化钠溶液；

②、以清水为清洗剂，利用超声波清洗机对多级合金管件超声清洗60min，超声功率因数为80％，再将多级合金管件浸入无水乙醇中60min，最后取出；

③、用洁净的压缩空气对多级合金管件进行吹干，得到清洗后的多级合金管件；

二、制备纤维与合金管复合预制件：

①、铺胶：

按照多级合金管件的外表面尺寸分别剪裁环氧树脂胶膜，揭掉剪裁后的环氧树脂胶膜的一层防粘隔离纸，将剪裁后的环氧树脂胶膜分别粘贴于清洗后的多级合金管件的外表面，再揭掉环氧树脂胶膜的另一层防粘隔离纸；

步骤二①中所述的环氧树脂胶膜为sy-24c；

②、缠绕纤维、固化：

将纤维分别缠绕在多级合金管件外表面的环氧树脂胶膜上，再将缠绕纤维的多级合金管件浸入到装有树脂的树脂槽中，转动缠绕纤维的多级合金管件，使树脂完全浸渗于纤维之间，再通过压实辊、刮板去除多余的树脂，完成浸胶处理，得到浸胶处理后的多级合金管件；将浸胶处理后的多级合金管件首先在压力为0.30±0.02mpa和温度为90℃的条件下固化1h，再在压力为0.30±0.02mpa和温度为170℃的条件下固化2h，再自然冷却，完成固化，得到多级复合材料管；

步骤二②中所述纤维为碳纤维；所述纤维的缠绕方向为单向缠绕，缠绕角度为纤维与合金管件轴向所呈角度，缠绕角度为0°；

步骤二②中所述的树脂为环氧树脂；

三、多级结构的装配：

将19根直径为24mm的合金管插入一根直径为120mm的合金管中，得到松散的装配体；利用拉拔设备将松散的装配体拉紧，使管件之间紧密接触；

四、填充泡沫树脂：

首先利用挡板将低级管件管口封闭，然后将泡沫树脂灌入到管件之间的空隙中，再在150℃下固化3h，然后在2h内将温度降至70℃，再在70℃下保持30min，最后取出，完成发泡固化成型，最后切除管件管口处多余的泡沫树脂，得到基于层级特性的超轻仿生复合材料管；

步骤四中所述的泡沫树脂为发泡环氧树脂e51；

步骤四中所述基于层级特性的超轻仿生复合材料管的截面呈双轴对称排布。

图1为实施例一制备的截面呈双轴对称排布的基于层级特性的超轻仿生复合材料管的截面示意图。

实施例二：结合图2说明本实施例，本实施例一种截面呈单轴对称排布的基于层级特性的超轻仿生复合材料管的制备方法如下：

一、合金管件的表面清洗：

①、首先使用砂纸对多级合金管件进行打磨，去除多级合金管件表面的污垢；然后使用丙酮对打磨后的多级合金管件清洗3次，再将多级合金管件浸入到碱水中8min，最后使用清水冲洗去除多级合金管件表面的碱水；

步骤一①中所述多级合金管件由12根直径为24mm的合金管、11根直径为15mm的合金管、7根直径为12mm的合金管、1根直径为14mm的合金管和1根直径为120mm的合金管组成；

步骤一①中所述多级合金管件的材质为6061铝合金；

步骤一①中所述碱水为浓度为20g/l的氢氧化钠溶液；

②、以清水为清洗剂，利用超声波清洗机对多级合金管件超声清洗60min，超声功率因数为80％，再将多级合金管件浸入无水乙醇中60min，最后取出；

③、用洁净的压缩空气对多级合金管件进行吹干，得到清洗后的多级合金管件；

二、制备纤维与合金管复合预制件：

①、铺胶：

按照多级合金管件的外表面尺寸分别剪裁环氧树脂胶膜，揭掉剪裁后的环氧树脂胶膜的一层防粘隔离纸，将剪裁后的环氧树脂胶膜分别粘贴于清洗后的多级合金管件的外表面，再揭掉环氧树脂胶膜的另一层防粘隔离纸；

步骤二①中所述的环氧树脂胶膜为sy-24c；

②、缠绕纤维、固化：

将纤维分别缠绕在多级合金管件外表面的环氧树脂胶膜上，再将缠绕纤维的多级合金管件浸入到装有树脂的树脂槽中，转动缠绕纤维的多级合金管件，使树脂完全浸渗于纤维之间，再通过压实辊、刮板去除多余的树脂，完成浸胶处理，得到浸胶处理后的多级合金管件；将浸胶处理后的多级合金管件首先在压力为0.30±0.02mpa和温度为90℃的条件下固化1h，再在压力为0.30±0.02mpa和温度为170℃的条件下固化2h，再自然冷却，完成固化，得到多级复合材料管；

步骤二②中所述纤维为碳纤维；所述纤维的缠绕方向为单向缠绕，缠绕角度为纤维与合金管件轴向所呈角度，缠绕角度为0°；

步骤二②中所述的树脂为环氧树脂；

三、多级结构的装配：

将12根直径为24mm的合金管、11根直径为15mm的合金管、7根直径为12mm的合金管和1根直径为14mm的合金管插入一根直径为120mm的合金管中，得到松散的装配体；利用拉拔设备将松散的装配体拉紧，使管件之间紧密接触；

四、填充泡沫树脂：

首先利用挡板将低级管件管口封闭，然后将泡沫树脂灌入到管件之间的空隙中，再在150℃下固化3h，然后在2h内将温度降至70℃，再在70℃下保持30min，最后取出，完成发泡固化成型，最后切除管件管口处多余的泡沫树脂，得到基于层级特性的超轻仿生复合材料管；

步骤四中所述的泡沫树脂为发泡环氧树脂e51；

步骤四中所述基于层级特性的超轻仿生复合材料管的截面呈单轴对称排布。

图2为实施例二制备的截面呈单轴对称排布的基于层级特性的超轻仿生复合材料管的截面示意图。