一种具有密度梯度的负泊松比蜂窝结构的复合材料

本发明涉及复合材料领域，尤其涉及一种具有密度梯度的负泊松比蜂窝结构的复合材料及制备方法。

背景技术：

1、随着汽车轻量化的逐渐普及，汽车板材的防冲击性能成为了人们关注的重点，但传统金属板材提升抗冲击性能会带来板材重量的增加，成本也不断上升。纤维复合材料是一种用来代替金属的轻量化材料，通过纤维和树脂结合能够制造出性能优越的复合板材，但是由于其层间结合能力弱，导致其抗冲击性能较弱。

2、目前，微结构材料作为一种机械超材料，是实现兼顾轻量化和高强度的有效手段之一，但无法兼顾高性能与低成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有密度梯度的负泊松比蜂窝结构的复合材料及制备方法，以解决板材无法兼顾轻量化、高性能及低成本的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明实施例提供的具有密度梯度的负泊松比蜂窝结构的复合材料，包括两个基板以及设在两个所述基板之间的芯体，所述基板为纤维增强树脂基板，所述芯体为由多个管体以及多个板体拼接成的蜂窝状构件；

4、所述管体的横截面为内凹六边形，所述管体包括平行设置的两个第一壁板、以及设在两个所述第一壁板之间的两个相对设置的第二壁板；

5、每个所述第二壁板包括两个壁板段，每个所述壁板段沿着远离所述第一壁板的方向向管体所具有的腔体内倾斜，每个所述第二壁板中的两个所述壁板段连接于凹陷部，所述凹陷部位于所述两个第一壁板之间的中间部位，所述两个第一壁板之间的间距与所述第一壁板的宽度相同；

6、沿着第一方向，多个所述管体依次拼接，沿着第二方向，多个所述管体中相邻所述管体通过所述板体连接，所述板体的端部分别与相应所述第二壁板所具有的凹陷部连接，其中，所述第一方向为：所述管体所具有的两个所述第一壁板的分布方向；所述第二方向为：所述管体所具有的两个所述第二壁板的分布方向；

7、沿着所述第一方向，多个所述管体的内凹角的角度依次递减，沿着所述第二方向，多个所述管体的内凹角相同，其中，所述内凹角为：所述壁板段与相应所述第一壁板之间的夹角。

8、根据本公开的至少一个实施方式，沿着第一方向，依次拼接的多个所述管体的中心轴处在同一平面；和/或，

9、沿着第二方向，具有相同内凹角的各个所述管体的中心轴处在同一平面。

10、根据本公开的至少一个实施方式，各个所述管体所具有的第一壁板、第二壁板、各个所述板体的厚度均相同。

11、根据本公开的至少一个实施方式，具有最大内凹角的相邻两个所述管体之间的板体的宽度与所述第一壁板的宽度相同，所述板体的宽度方向、所述第一壁板的宽度方向与所述第二方向相同。

12、根据本公开的至少一个实施方式，所述内凹角为α，其中，50°≤α≤85°。

13、根据本公开的至少一个实施方式，沿着所述第一方向，相互拼接的所述管体的数量为n，两个相邻所述管体的内凹角之差小于35°/n，每个相邻所述管体的内凹角之差的差值相同。

14、根据本公开的至少一个实施方式，所述芯体的材质为铝合金或芳纶纤维。

15、根据本公开的至少一个实施方式，所述复合材料还包括设在所述芯体与相应所述基板之间的热熔胶膜，所述热熔胶膜用于所述芯体与相应所述基板之间的胶结，所述热熔胶膜的材质包括聚醚砜、热塑性聚氨酯弹性体橡胶中的一种。

16、根据本公开的至少一个实施方式，所述纤维增强树脂基板的纤维为麻纤维、棉纤维、竹纤维、碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维中的一种或多种；

17、所述纤维增强树脂基板中的纤维为纤维布、纤维毡、单向纤维和短纤维中的一种或多种；

18、所述树脂为聚丙烯、聚醚醚酮、尼龙6、尼龙66、abs、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚和聚乳酸中的一种或多种。

19、相对于现有技术，本发明的具有密度梯度的负泊松比蜂窝结构的复合材料具有以下优势：

20、本发明提供的具有密度梯度的负泊松比蜂窝结构的复合材料，通过将芯体设在两个纤维增强树脂基板之间，由于芯体采用负泊松比蜂窝结构，其作为微结构材料的一种，其抗冲击和抗压缩能力强大，可兼顾轻量化与高强度，克服了现有技术中汽车用高性能板材依靠堆质量防冲击的缺点。本发明实施例提供的芯体由多个管体以及多个板体拼接成的蜂窝状构件，管体的横截面为内凹六边形，管体包括平行设置的两个第一壁板、以及设在两个第一壁板之间的两个相对设置的第二壁板，并且沿着第一方向，多个管体依次拼接，沿着第二方向，多个管体中相邻管体通过板体连接，板体的端部分别与相应第二壁板所具有的凹陷部连接，沿着所述第二方向，多个管体的内凹角相同；也就是说沿着第一方向每一层的管体内凹角递减，从而使得每层的质量增加而体积基本不变，从而使密度逐层增加，形成密度梯度。而内凹六边形的负泊松比结构具有拉伸横向膨胀，压缩横向缩小的特点，具有更好的抗冲击性能。本发明提供的两个纤维增强树脂基板之间设置具有密度梯度的负泊松比蜂窝结构的芯体，相较于单一结构的负泊松比材料，具有更高的抗冲击性能和吸能性能。进一步地，与普通的中间层材料相比，机械性能更好。

21、相较于无密度梯度蜂窝结构，本发明实施例的具有密度梯度的负泊松比蜂窝结构，更加节省材料，成本较低。同时，使用基板夹设密度梯度的负泊松比蜂窝结构得到的复合材料，整体性好，在保证好的弯曲强度、拉伸性能等力学性能前提下，显著提升了抗冲击能力，综合力学性能优异。

22、本发明的另一目的在于还提供一种具有密度梯度的负泊松比蜂窝结构的复合材料制备方法，所述制备方法包括：

23、将纤维和树脂混合，加压加热形成纤维增强树脂基板；

24、通过3d打印制作上述的芯体；

25、在第一方向上，所述芯体的顶部和底部分别依次铺设热熔胶膜和基板然后一体化成型。

26、相对于现有技术，本发明所述的具有密度梯度的负泊松比蜂窝结构的复合材料制备方法具有的优势与上述具有密度梯度的负泊松比蜂窝结构的复合材料所具有的优势相同，在此不再赘述。

技术特征：

1.一种具有密度梯度的负泊松比蜂窝结构的复合材料，其特征在于，包括两个基板以及设在两个所述基板之间的芯体，所述基板为纤维增强树脂基板，所述芯体为由多个管体以及多个板体拼接成的蜂窝状构件；

2.根据权利要求1所述的负泊松比蜂窝结构的复合材料，其特征在于，沿着第一方向，依次拼接的多个所述管体的中心轴处在同一平面；和/或，

3.根据权利要求1所述的负泊松比蜂窝结构的复合材料，其特征在于，各个所述管体所具有的第一壁板、第二壁板以及各个所述板体的厚度均相同。

4.根据权利要求1所述的负泊松比蜂窝结构的复合材料，其特征在于，具有最大内凹角的相邻两个所述管体之间的板体的宽度与所述第一壁板的宽度相同，所述板体的宽度方向、所述第一壁板的宽度方向与所述第二方向相同。

5.根据权利要求1所述的负泊松比蜂窝结构的复合材料，其特征在于，所述内凹角为α，其中，50°≤α≤85°。

6.根据权利要求5所述的负泊松比蜂窝结构的复合材料，其特征在于，沿着所述第一方向，相互拼接的所述管体的数量为n，两个相邻所述管体的内凹角之差小于35°/n，每个相邻所述管体的内凹角之差的差值相同。

7.根据权利要求1-6任一项所述的负泊松比蜂窝结构的复合材料，其特征在于，所述芯体的材质为铝合金或芳纶纤维。

8.根据权利要求1-6任一项所述的负泊松比蜂窝结构的复合材料，其特征在于，所述复合材料还包括设在所述芯体与相应所述基板之间的热熔胶膜，所述热熔胶膜用于所述芯体与相应所述基板之间的胶结，所述热熔胶膜的材质包括聚醚砜、热塑性聚氨酯弹性体橡胶中的一种。

9.根据权利要求1-6任一项所述的负泊松比蜂窝结构的复合材料，其特征在于，所述纤维增强树脂基板的纤维为麻纤维、棉纤维、竹纤维、碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维中的一种或多种；

10.一种具有密度梯度的负泊松比蜂窝结构的复合材料制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

技术总结
本发明提供了一种具有密度梯度的负泊松比蜂窝结构的复合材料及制备方法，涉及复合材料领域，以解决板材无法兼顾轻量化、高性能及低成本的技术问题。复合材料包括两个基板以及设在两个基板之间的芯体，基板为纤维增强树脂基板，芯体为由多个管体以及多个板体拼接成的蜂窝状构件；管体的横截面为内凹六边形，沿着第一方向，多个管体依次拼接，沿着第二方向，多个管体中相邻管体通过板体连接，板体的端部分别与相应第二壁板所具有的凹陷部连接，沿着第一方向，多个管体的内凹角的角度依次递减，沿着第二方向，多个管体的内凹角相同，其中，内凹角为：壁板段与相应第一壁板之间的夹角。

技术研发人员：刘雪强,张长琦,沈灿铎,刘毅,孟佳
受保护的技术使用者：中国人民解放军军事科学院系统工程研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12