具有负泊松比效应的3D打印结构复合材料夹芯板及加工方法与流程

本发明涉及一种夹芯板材料，具体涉及一种具有负泊松比效应的3d打印结构复合材料夹芯板及加工方法。

背景技术：

通常认为，几乎所有的材料泊松比值都为正，约为1/3，橡胶类材料为1/2，金属铝为0.133，铜为0.127，典型的聚合物泡沫为0.11～0.14等，即这些材料在拉伸时材料的横向发生收缩。而负泊松比效应，是指受拉伸时，材料在弹性范围内横向发生膨胀；而受压缩时，材料的横向反而发生收缩。这种现象在热力学上是可能的，但通常材料中并没有普遍观察到负泊松比效应的存在。近年来发现的一些特殊结构的材料具有负泊松比效应，由于其奇特的性能而倍受材料科学家和物理学家们的重视该负泊松比结构可以作为夹芯结构的面层，起到保护芯材和提高结构整体的力学性能的作用。

与一般泊松比为正的材料相反，泊松比为负的材料和结构在拉力作用下横向扩展，在压力作用下横向内缩。负泊松比材料和结构以其独特的方式受到了广泛的关注和研究。实验证明，该类功能性材料具有良好的力学性能，包括抗剪切、抗压痕性、抗冲击、良好的能量吸收能力，具有广阔的工业应用前景。我国的夹芯板芯材尚未有采用负泊松比材料的先例，主要是因为负泊松比结构选型困难、加工难度高，传统加工方式无法得到负泊松比结构，所以导致芯材的使用局限于正泊松比的材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术的问题，提供一种具有负泊松比效应的3d打印结构复合材料夹芯板及加工方法，该面板有良好的吸收冲击的能力，是通过中间的负泊松比结构来达到吸收能量的作用，降低冲击对上下面层的破坏。

本发明采用的技术方案为：一种具有负泊松比效应的3d打印结构复合材料夹芯板，包括上面层，下面层和中间芯材层；

所述上面层和下面层为纤维布和树脂固化而成的复合材料，所述中间芯材层为通过3d打印的负泊松比结构层，该结构层通过粘结剂与上面层、下面层粘接在一起；

所述负泊松比结构层是通过负泊松比单元的阵列并通过中间的杆件相连接而成，所述杆件为具有拉胀压缩的负泊松比效应的内凹结构，所述杆件的截面是正方形或圆形；

所述杆件半径或边长r满足：r＞0.8mm；

所述杆件的长度l满足：l＞6mm；

所述杆件在负泊松比单元正视时杆件与纵向的夹角θ是：0°＜θ＜90°；

所述杆件在负泊松比单元上视时杆件与纵向的夹角ω是：0°＜ω＜90°；

所述复合材料夹芯板的高度是y：y＝2lcosθ+2a，其中a为上面层的厚度和下面层的厚度；

所述负泊松比单元的上、下底面的边长x是：x＝2lcosωsimθ。

作为优选，所述上面层和下面层为纤维布与树脂采用拉挤成型工艺或真空导入工艺固化而成。所述拉挤成型工艺中，首先将浸渍过树脂胶液的连续纤维布在牵引装置作用下通过成型模而定型；其次，在固化炉中固化，并切割成相应尺寸板材。

作为优选，所述上面层和下面层由玻璃纤维布、玄武岩纤维布、碳纤维布中的一种与树脂基体固化而成，纤维布为双轴向布、多轴向布或纤维无纺布的至少一种，树脂为环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂或乙烯基酯的至少一种。

作为优选，所述的粘结剂为环氧树脂双组份ab胶，其中a∶b＝3∶1。

作为优选，所述的上面层和下面层粘结面应予以打磨处理。

本发明所述负泊松比单元通过杆件内凹的结构形式形成具有拉胀压缩的负泊松比效应，该结构为杆件结构且杆件的截面可以是正方形也可是圆形，本例用的是正方形截面，该杆件结构形式简单更节省材料且强度更高。所述负泊松比结构是通过负泊松比单元的阵列并通过中间的拉杆相连接增加整体性，该结构通过连接传递荷载形成整体的负泊松比效应，使得结构有更好的抗冲击的性能。所述3d打印即快速成型技术的一种又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

上述具有负泊松比效应的3d打印结构复合材料夹芯板的设计方法，包括以下步骤：

1)确定负泊松比单元的连接的杆件的长度、直径、布置角度，根据已选择的杆件尺寸就能确定负泊松比单元的大小和高度；

2)根据已选择的尺寸设计出单个负泊松比单元，用计算机进行整体建模，对单个负泊松比单元进行阵列得到所需的大小；

3)将上一步骤计算机所建模型采用3d打印技术进行打印，所采用的打印材料是尼龙颗粒，或者是其他的3d打印材料；

4)根据已经打印出的模型的大小来切割复合材料面层，并将面层粘接面进行打磨并保证其平整度和光滑度；

5)将3d打印模型用粘接剂和上面层和下面层粘结在一起，最后成型。

本发明负泊松比材料由于具有不同于普通材料的独特性质，在很多方面具备了其他材料所不能比拟的优势，尤其是材料的物理机械性能有了很大的提高，如提高了材料的剪切模量、材料的抗缺口性能、抗断裂性能以及材料的回弹韧性。

本发明采用了3d打印技术和复合材料加工技术相结合的方法并且采用了新型的结构作为本发明的中间面层，发明了一种新的具有负泊松比效应的复合材料。而且创新的利用了负泊松比这种功能性材料，可以有效的提高结构整体的力学性能。

本发明的有益效果：

1、该结构由于是杆件结构，所以相对密度会比实心材料要小，质量也会更轻。

2、本发明采用的是3d打印技术更贴近时代发展的需要；

3、整个材料的制造、构件的拼装过程中碳排放量较低，绿色环保；

4、本发明采用了复合材料作为结构的材料使得面板具有较好的耐腐蚀能力；

5、因为采用的负泊松比结构作为中间层则使得本发明具有很好的力学性能，比如抗剪切，抗冲击，抗断裂等。

附图说明

图1为本发明负泊松比单元的三维示意图；

图2为本发明负泊松比单元的连接方式示意图；

图3和图4为本发明负泊松比单元尺寸标注示意图；

图5为本发明3d打印负泊松比结构上视图；

图6为本发明3d打印负泊松比结构正视图；

图7为本发明3d打印负泊松比结构三维图。

具体实施方案

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1-7所示，一种具有负泊松比效应的3d打印结构复合材料夹芯板，包括上面层1，下面层2和中间芯材层3；

所述上面层1和下面层2为纤维布和树脂固化而成的复合材料，所述中间芯材层3为通过3d打印的负泊松比结构层，该结构层通过粘结剂与上面层、下面层粘接在一起；

所述负泊松比结构层是通过负泊松比单元的阵列并通过中间的杆件4相连接而成，所述杆件4为具有拉胀压缩的负泊松比效应的内凹结构，所述杆件4的截面是正方形或圆形；

所述杆件4半径或边长r满足：r＞0.8mm；

所述杆件4的长度l满足：l＞6mm；

所述杆件4在负泊松比单元正视时杆件与纵向的夹角θ是：0°＜θ＜90°；

所述杆件4在负泊松比单元上视时杆件与纵向的夹角ω是：0°＜ω＜90°；

所述复合材料夹芯板的高度是y：y＝2lcosθ+2a，其中a为上面层1的厚度和下面层2的厚度；

所述负泊松比单元的上、下底面的边长x是：x＝2lcosωsimθ。

所述上面层和下面层为纤维布与树脂采用拉挤成型工艺或真空导入工艺固化而成。所述拉挤成型工艺中，首先将浸渍过树脂胶液的连续纤维布在牵引装置作用下通过成型模而定型；其次，在固化炉中固化，并切割成相应尺寸板材。所述上面层和下面层由玻璃纤维布、玄武岩纤维布、碳纤维布中的一种与树脂基体固化而成，纤维布为双轴向布、多轴向布或纤维无纺布的至少一种，树脂为环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂或乙烯基酯的至少一种。所述的粘结剂为环氧树脂双组份ab胶，其中a∶b＝3∶1。所述的上面层和下面层粘结面应予以打磨处理。

上述具有负泊松比效应的3d打印结构复合材料夹芯板的设计方法，包括以下步骤：

1)确定负泊松比单元的连接的杆件的长度、直径、布置角度，根据已选择的杆件尺寸就能确定负泊松比单元的大小和高度；

2)根据已选择的尺寸设计出单个负泊松比单元，用计算机进行整体建模，对单个负泊松比单元进行阵列得到所需的大小；

3)将上一步骤计算机所建模型采用3d打印技术进行打印，所采用的打印材料是尼龙颗粒，或者是其他的3d打印材料；

4)根据已经打印出的模型的大小来切割复合材料面层，并将面层粘接面进行打磨并保证其平整度和光滑度；

5)将3d打印模型用粘接剂和上面层和下面层粘结在一起，最后成型。

本发明负泊松比材料由于具有不同于普通材料的独特性质，在很多方面具备了其他材料所不能比拟的优势，尤其是材料的物理机械性能有了很大的提高，如提高了材料的剪切模量、材料的抗缺口性能、抗断裂性能以及材料的回弹韧性。

本发明采用了3d打印技术和复合材料加工技术相结合的方法并且采用了新型的结构作为本发明的中间面层，发明了一种新的具有负泊松比效应的复合材料。而且创新的利用了负泊松比这种功能性材料，可以有效的提高结构整体的力学性能。

本发明可以作为夹芯结构的面层，起到保护芯材的作用和提高整体的力学性能；也就可以为桥梁、建筑等的防撞面层。而且也也可以在上下面层填充泡沫作为隔音板材来实现隔音隔声的作用。

当负泊松比材料用于制造夹芯板时，由于受到弯曲荷载时是向外膨胀从而吸收更多的能量，而不是像泊松比为正值的材料那样向内凹陷被破坏，因此由负泊松比材料制成的夹芯板其安全性大大提高。而该夹芯板的面层是复合材料纤维增强面层。负泊松比结构的研究在复合材料领域还是比较少见的，而对于三维编织的负泊松比结构的研究就更少。本发明填补了国内外的空白，对于后续的负泊松比结构的研究有重要意义。

以上结合附图以及具体实施方案对本发明专利的实施方式做出详细说明，但本发明专利不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明专利的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明专利的保护范围内。