一种三维负泊松比防护间隔织物及其复合材料和用途

本发明涉及一种三维负泊松比防护间隔织物及其复合材料和用途，属于纺织材料。

背景技术：

1、自复合增强材料的发展以来，用三维织物作为基材的蜂窝状板材逐渐兴起。这种材料有许多优良性能，耐压性好，结构稳定，隔热性好，可设计性好，同时克服了层状结构复合材料层间强度低，易冲击损伤等缺点。可广泛应用于航空、航天、汽车、造船、土建、仓储等许多方面。作为蜂窝状板材基材的三维织物与一般织物的最大不同在于它的厚度有多层，而且可制成多种形式，加工方法也有许多种。

2、负泊松比结构特殊的几何增强效应，使其具有比传统正泊松比材料更为优异的抗压缩性能、抗剪切性能和断裂初性，同时研究证明其吸声减震性能也优于传统正泊松比多孔材料。因而，负泊松比材料在航空、汽车、生物医学等领域存在巨大潜在应用趋势。

3、目前，内凹六边形负泊松比蜂窝已广泛用于轻质夹层复合材料板，与传统正六边形蜂窝相比，内四六边形蜂窝不仅具有上述优异力学性能，且弯曲时容易形成圆顶形同向曲率图和其他形状。而传统正六边形蜂窝不具有弯曲变形随意性，在受到弯曲力矩时容易形成互反曲率马鞍状，不易形成常用零部件曲面，如雷达罩、能盖、飞机机身等，除非对其强制施加反向预应力，这样也就降低了工程结构件的潜在安全系数和使用寿命。

4、目前内凹六边形负泊松比蜂窝复合材料板大多是通过3d打印或者将二维复合材料板通过裁剪后拼接的方式制备。前者缺点是原材料受限，后者缺点是材料通过粘结而成，容易开裂，力学性能差。

技术实现思路

1、本发明的目的是：针对现有技术的缺点，本发明提供一体成型的三维负泊松比防护间隔织物及其复合材料，可以方便快捷地制成具有负泊松比效应的一体成型的三维间隔织物和其复合材料。其成型产品适用于医疗用品，功能纺织品；航空航天和国防类材料；普通服用和家用纺织产品等。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种三维负泊松比防护间隔织物材料的制备方法，其特征在于，所述三维负泊松比防护间隔织物材料为内凹六角蜂窝结构的织物或织物-树脂复合材料，其制备方法包括以下步骤：

3、步骤1：根据要求和用途不同，设计三维多孔间隔织物的组织结构；

4、步骤2：采用织布机将设计好的三维多孔间隔织物织造出来；

5、步骤3：根据要求和用途不同，设计并生产出具有内凹六角型结构的成型模具(可以是内凹六角棒)；

6、步骤4：将上述模具塞进三维间隔织物的孔洞内，并进行热压得到相应织物；或将上述模具塞进三维间隔织物的孔洞内，将其与树脂复合，经固化、脱模后得到相应复合材料。

7、优选地，所述步骤1中三维多孔间隔织物的组织结构为单层或多层蜂窝结构。

8、所述的三维间隔织物是通过机织的方法织造出来的，可以由剑杆织机、喷气织机、喷水织机、片梭织机等无梭织机织成，也可以由有梭织机织造，也可以是由半自动小样织机或者大提花织机织造成；如果用大提花织机织也可以设计出几千层的结构；该结构包括自由区和接结区，每个区域都可以选择平纹、斜纹、缎纹、经重平、纬重平、方平、角联锁、正交接结等组织结构作为基础结构；接结区和自由区可根据面料用途设计结构循环数，以调整大小，满足用途要求；根据用途不同，该蜂窝结构可以设计成厚胞壁的也可以设计成薄胞壁的；根据用途要求不同，该蜂窝结构可以设计成等密度梯度蜂窝结构；

9、优选地，所述步骤2中的三维多孔间隔织物选用耐热合成纤维或易定型的天然纤维为面料进行织造；所述合成纤维选自涤纶、聚苯并咪唑(pbi)、聚苯并恶唑(pbo)、氧化pan、聚四氟乙烯(ptfe)、间位芳纶(mpia)和碳纤维中的至少一种；所述天然纤维选自棉、毛、丝和麻中的至少一种。其中所用纤维颜色不限，可以是多种多样的。

10、优选地，所述步骤3中的成型模具可通过减材加工、增材加工或者模型铸造获得，减材加工包括机械刻、刀刻、光刻、激光刻、离子刻、电子刻、化学蚀刻，增材加工包括3d打印，模型铸造包括金属、陶瓷、石蜡等材料熔融制造而成；所述内凹六角模具的材料可以是金属，陶瓷、硅胶等耐高温材料，也可以是pla、abs、tpu、石蜡等普通材料；所述模具的角度可以是0-90°内任意角度。

11、优选地，所述步骤4中与树脂复合的方式为rtm复合、vartm复合、喷射成型复合或手糊成型复合。其中，rtm复合方式下，先在阳模(内凹六角棒)的结构表面刷上一层脱模剂或贴脱模布，然后将模具放进三维间隔织物的孔洞里，将塞有阳模的织物放进内表面刷有脱模剂或者贴有脱模布的阴模里，再将导流管采用粘接方法固定在阴模圆孔槽内，用密封薄膜将阴模和阳模密封好，最后采用真空泵抽树脂，进行复合；vartm复合方式下，先在阳模的结构表面刷上一层脱模剂或贴脱模布，然后将模具放进三维间隔织物的孔洞里，将塞有阳模的织物放进内表面刷有脱模剂或者贴有脱模布的阴模里，再将导流管采用粘接方法固定在阴模的圆孔槽内，将准备好的阴模放入真空袋内，开动机器，进行复合；喷射成型复合方式下，先将刷有脱模剂或贴有脱模布的内凹六角棒放在三维间隔织物的孔洞内，然后将基质放在相应容器内，开动机器进行复合；手糊成型复合方式下，将树脂放在常温或高温环境下，将织物放进盛有树脂的烧杯内浸泡一定时间，将织物各个孔洞打开让树脂充分浸透织物，将表面刷有脱模剂或贴脱模布的内凹六角棒放进三维间隔织物的孔洞里，将塞有阳模的织物放进内表面刷有脱模剂或者贴有脱模布的阴模里后静置固化。所述树脂既可以是天然树脂，也可以是合成树脂；既可以是热固性树脂，也可以是热塑性树脂；既可以是环氧树脂，不饱和聚酯树脂等硬性树脂，也可以是硅胶，橡胶，聚氨酯等软性树脂；既可以是需要高温固化的树脂，也可以是常温固化的树脂。

12、其中，所述的复合材料脱模方法独特，如果是与硬质材料复合，预型件经固化后通过80℃水浴加热4小时的方法进行脱模；这种脱模方法既不会影响材料性能，又能使得模具完整脱下来。

13、本发明还提供了上述三维负泊松比防护间隔织物材料的制备方法制备所得的织物材料(织物及其复合材料)。所述织物材料(织物及其复合材料)具有挤缩和拉胀效应。

14、其中，三维负泊松比防护间隔织物复合材料具有高回弹性；如果将织物与聚氨酯树脂复合，那么复合材料回弹性能达到100％。

15、此外，三维负泊松比防护间隔织物复合材料具有优异的力学性能；相同层数，经纬密，纱线的线密度和相同厚度的布与相同成分和质量的树脂进行符合，分别制备三维负泊松比防护间隔织物复合材料和三维蜂窝防护复合材料；那么前者的剪切强力和横向剪切刚度相对于后者的参数可提高38.4％和44％；弯曲刚度和弯曲模量较后者高出19.7％；且弯曲时容易形成圆顶形(同向曲率)，而不是像正六边形蜂窝那样形成互反曲率(马鞍状)。

16、本发明还提供了上述三维负泊松比防护间隔织物材料的制备方法制备所得的织物材料在制备医疗用品、功能性纺织品和服装用品中的应用。

17、本发明还提供了上述三维负泊松比防护间隔织物材料的制备方法制备所得的织物材料作为航空航天材料和国防装备材料的应用。

18、三维负泊松比防护间隔织物材料(织物及其复合材料)用途广泛，可以用做人造成形瓣膜、人造血管、食管内支架、口罩、绷带、创可贴等医疗用品；汽车安全带、安全座椅、运动防护服装、头盔及装备，滤网、耳机膜、清洁抹布等功能纺织品；童装、孕妇装、文胸等普通服用产品；飞机的舱门、窗、机翼、螺旋桨、整流罩体、机内天花板、地板、走道、洗手间、隔板、舱壁、行李架、座椅、货仓衬板等航空材料；固体火箭发动机的壳体、高性能压力容器、载人飞船的驾驶舱等航天材料；战车车体，坦克、防弹板等国防装甲车辆。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

20、(1)本发明制作的三维负泊松比间隔织物及其复合材料具有负泊松比性能，具有传统正六边形蜂窝不具有的弯曲变形随意性，增加了工程结构件的潜在安全系数和使用寿命；

21、(2)该织物及其复合材料是一体成型的，相比于裁剪后拼接而成的，力学性能更好；相比于3d打印和裁剪后拼接等制备方法来说能够迅速快速生成负泊松比面料或复合材料，整个制作过程简便易操作，工艺简单，成本低廉，对环境友好；

22、(3)织物原材料可选择范围广，成型产品可以用做医疗用品、功能纺织品、普通服用、家用纺织品就等。

23、(4)本发明根据材料性能和使用目的不同，可以制作不同形状和尺寸的模型，以得到各种尺寸、形状结构、和负泊松比效应的三维间隔织物或其复合材料。