一种仿生肌腱长丝束构筑的超轻复合材料板及其制备方法和应用

本发明属于超轻复合材料板制备的，尤其涉及一种仿生肌腱长丝束构筑的超轻复合材料板及其制备方法和应用。

背景技术：

1、防弹板一般应用在防爆、防弹等项目上，比如靶场设备、防弹门、防弹头盔、防弹插板、防弹盾牌、银行柜台、机要保险柜、防暴车、防弹运钞车、装甲运兵车、战车、潜艇、登陆艇、缉私艇、直升机等方面。目前防弹板主要以达到保护人体安全为目的。防弹板材料起初主要是金属材料，如特种钢、铝合金等金属作防弹板材料，这种防弹板十分笨重且易产生防弹破片，存在“跳弹”现象，存在二次伤害的风险。陶瓷材料相因其密度低、硬度高、强度高、弹性模量高以及抗冲击性能好，在防弹板领域脱颖而出；但陶瓷材料容易碎片，产生破片，同样会给人体带来二次伤害。

2、随着高性能纤维的发展，高性能纤维层压板开始出现，由于其轻质、高效吸能、不产生破片等优势而备受关注。例如专利公开号cn102620606a公开了一种软质防弹板，该软质防弹板包括多个单层防弹织物，所述单层防弹织物包括由高性能纤维形成的增强体，以及涂层到所述增强体上的热塑像树脂基体，所述热塑性树脂基体为热压后可手工弯曲成型的水性树脂与增粘助剂的混合体，且所述水性树脂的含量为70-90％。但是单纯的纤维层压板多采用叠层的方式提高防弹性能，仅通过提高纤维层数仍难以满足防弹需求；并且，通过增加层数不可避免的会导致高性能纤维层压板重量和厚度显著增加，导致十分笨重，严重影响使用效果。

技术实现思路

1、针对纤维层压板防弹性能差的技术问题，本发明提出一种仿生肌腱长丝束构筑的超轻复合材料板及其制备方法和应用。超轻复合材料板的面密度为1.5-2.0kg/m2，厚度为15-20mm，能够有效降低质量为5.6g的1951年式7.62mm手枪弹(铅心)的冲击速度。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种仿生肌腱长丝束构筑的超轻复合材料板，包括n级结构长丝束棒，n级结构长丝束棒由若干个同轴紧密排列的n-1级结构长丝束棒通过纱线缠绕固定组成，其中n≥3，最小级数为一级，一级结构长丝束棒由若干根纤维长丝通过纱线缠绕固定组成；超轻复合材料板的其余空间填充有树脂。例如，若干个一级结构长丝束棒组成二级结构长丝束棒，若干个二级结构长丝束棒组成三级结构长丝束棒…若干个n-1级结构长丝束棒组成n级结构长丝束棒。

4、仿生肌腱长丝束构筑的超轻复合材料板制备过程包括以下步骤：

5、第一步：将若干根纤维长丝束并排好，用另一根纱线将排列好的纤维长丝束沿其长度方向紧密缠绕，纱线的张紧力在20-50n之间，形成一级结构长丝束棒；

6、第二步：将若干根一级结构长丝束棒同轴紧密排列，用纱线沿其长度方向紧密缠绕形成二级结构长丝束棒；

7、第三步：采用步骤二的方式由一级结构长丝束逐级构成n级结构长丝束棒，若干个一级结构长丝束棒组成二级结构长丝束棒，若干个二级结构长丝束棒组成三级结构长丝束棒…若干个n-1级结构长丝束棒组成n级结构长丝束棒；即将若干根n-1级结构长丝束棒用纱线沿其长度方向紧密缠绕，形成n级结构长丝束棒，n≥3；

8、第四步：将n级结构长丝束棒浸泡在树脂溶液中10-15分钟后取出，取出n级结构长丝束棒室温下固化12-36小时使其完全固化，沿其横截面进行切割，制得超轻复合材料板。

9、优选的，所述一级结构长丝束棒中的纤维长丝为芳纶纤维、超高性能聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维、碳纤维、聚酰亚胺纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维、金属纤维、硼纤维、陶瓷纤维或氮化物纤维中的任意一种或两种以上。

10、优选的，所述一级结构长丝束棒中包括50-500根纤维长丝。

11、优选的，1至n中任一级结构长丝束棒中缠绕的纱线为涤纶、锦纶、芳纶、聚对苯撑苯并二噁唑纤维、超高性能聚乙烯纤维、碳纤维、聚酰亚胺纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维、金属纤维、硼纤维、陶瓷纤维或氮化物纤维中的任意一种。

12、优选的，1至n中任一级结构长丝束棒的截面形状为正方形、圆形、长方形中的任意一种。

13、优选的，所述n级结构长丝束棒中包括2-16个n-1级结构长丝束棒。

14、优选地，第四步中所使用的树脂为环氧树脂、酚醛树脂等用于增强结构所用的树脂。

15、本发明的有益效果：

16、(1)本发明超轻复合材料板将冲击中长丝径向受力转变为长度方向受力，最大程度发挥长丝力学性能优势的同时，抗冲击性也得到提高，显著降低穿着者佩戴的负担，增强穿着者使用意愿，提高个人作战中其运动的灵活性，提高个人战斗能力。

17、(2)所述超轻复合材料板便于成型，质量轻，抗冲击能力强，无二次伤害，抗多次打击能力强，可与其他柔性材料复合后，还可加工成防弹盾牌、防弹公文包、防弹头盔等防弹产品。根据ga141-2010防弹标准，在1951年式7.62mm手枪弹(铅心)，质量为5.6g，单独使用可将其冲击速度445m/s降低8-10％。

技术特征：

1.一种仿生肌腱长丝束构筑的超轻复合材料板，其特征在于，包括n级结构长丝束棒，n级结构长丝束棒由若干个同轴紧密排列的n-1级结构长丝束棒通过纱线缠绕固定组成，其中n≥3，一级结构长丝束棒由若干根纤维长丝通过纱线缠绕固定组成；超轻复合材料板的其余空间填充有树脂。

2.根据权利要求1所述的仿生肌腱长丝束构筑的超轻复合材料板，其特征在于，所述超轻复合材料板的面密度1.5-2.0kg/m2，厚度在15-20mm之间。

3.权利要求1或2所述的仿生肌腱长丝束构筑的超轻复合材料板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的仿生肌腱长丝束构筑的超轻复合材料板的制备方法，其特征在于，所述一级结构长丝束棒中的纤维长丝为芳纶纤维、超高性能聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维、碳纤维、聚酰亚胺纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维、金属纤维、硼纤维、陶瓷纤维或氮化物纤维中的任意一种或两种以上。

5.根据权利要求4所述的仿生肌腱长丝束构筑的超轻复合材料板的制备方法，其特征在于，所述一级结构长丝束棒中包括50-500根纤维长丝。

6.根据权利要求3所述的仿生肌腱长丝束构筑的超轻复合材料板的制备方法，其特征在于，1至n中任一级结构长丝束棒中缠绕的纱线为涤纶、锦纶、芳纶、聚对苯撑苯并二噁唑纤维、超高性能聚乙烯纤维、碳纤维、聚酰亚胺纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维、金属纤维、硼纤维、陶瓷纤维或氮化物纤维中的任意一种。

7.根据权利要求3所述的仿生肌腱长丝束构筑的超轻复合材料板的制备方法，其特征在于，1至n中任一级结构长丝束棒的截面形状为正方形、圆形、长方形中的任意一种。

8.根据权利要求3所述的仿生肌腱长丝束构筑的超轻复合材料板的制备方法，其特征在于，所述n级结构长丝束棒中包括2-16个n-1级结构长丝束棒。

9.根据权利要求3所述的仿生肌腱长丝束构筑的超轻复合材料板的制备方法，其特征在于，所述树脂为环氧树脂或酚醛树脂。

10.权利要求1或2所述的仿生肌腱长丝束构筑的超轻复合材料板在防弹中的应用。

技术总结
本发明提出了一种仿生肌腱长丝束构筑的超轻复合材料板及其制备方法和应用，属于超轻复合材料板制备的技术领域，用以解决纤维层压板防弹性能差的技术问题。包括若干根紧密排列的一级结构长丝束棒，一级结构长丝束棒之间通过纱线缠绕固定；所述一级结构长丝束棒包括若干根纤维长丝组成的纤维长丝束，纤维长丝束通过纱线缠绕固定；超轻复合材料板的其余空间填充有树脂。本发明制备超轻复合材料板便于成型，质量轻，抗冲击能力强，无二次伤害或二次伤害小，抗多次打击能力强，可与其他柔性材料复合后，还可加工成防弹盾牌、防弹公文包、防弹头盔等防弹产品。

技术研发人员：楚艳艳,赵献,李施辰,黄伟韩,高龙,朱保坤,刘莹莹,张志国,曾灏宪
受保护的技术使用者：中原工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27