一种负泊松比复合防爆材料及其制备方法与流程

本发明属于防爆材料制备，尤其涉及一种负泊松比复合防爆材料及其制备方法，具体是一种具有负泊松比的梯度手性超结构记忆合金、剪切增稠液体与陶瓷颗粒复合防爆材料及其制备方法。

背景技术：

1、现代战争对防弹材料的防护性能和轻量化水平提出了极高的要求，传统的金属防弹材料虽具备防护性能好、价格低廉等优势，但普遍存在质量较重，不便于穿戴，严重影响人员和装备的机动性等问题。为了适应现代战争破坏性高、作战节奏快、战场环境恶劣等特点，防弹材料正朝着轻量化和复合化的趋势发展，世界各国相继研发了陶瓷、高性能纤维、新型复合材料等一系列轻量化防弹材料，进一步提升了人员和装备的生存能力和机动性。这种组合防弹材料虽具备结构功能可设计的特点，但制备组合防弹材料所使用的环氧树脂等胶黏剂存在韧性差、结合强度低等缺点，会导致组合防弹材料不能迅速将应力波及时传递出去，从而降低了防弹效果。

2、陶瓷材料具有密度低、硬度高、抗压强度高等特点，将陶瓷材料与纤维增强树脂基复合材料制备的陶瓷增强树脂基防爆复合材料既能提高装甲的防爆性能又能实现减轻质量。近几年，陶瓷增强树脂基防爆复合材料在单兵、装甲车辆、舰船、武装直升机、民用人体防护、工程防护等弹道防护领域得到广泛应用，在轻量化和高防护方面显示出明显优势。但是陶瓷与纤维增强树脂基复合材料之间存在明显的界面，界面之间的粘接性能直接影响着复合材料的冲击性能。陶瓷与纤维增强树脂基复合材料之间复合属于异种材料连接，由于大部分陶瓷表面活性不高，如果不进行陶瓷表面处理，无法保障与树脂基复合材料的粘接强度，造成复合材料的冲击性能无法得到保障，从而制约陶瓷增强树脂基防爆复合材料的发展。

3、stf液体，又称剪切增稠液体，是一种非牛顿流体，流体经常成浓缩的胶质悬浮液状，在迅速增加的剪切应力下，液体粘度急剧的增加，甚至由液体转变成固体，并且此过程可逆。这种现象主要归因于液体压力下的粒子刚性结构簇的形成。stf液体的这种特性使其在阻尼减振、变速箱的液力耦合装置、车辆悬架系统和个体防护等多个技术领域具有广泛的应用前景。利用它制造的防护服通常被叫做“液体装甲”。“剪切增稠液体”渗入织物中，通常状态下是以液态形式存在，但是，织物一旦受到冲击、压紧，“剪切增稠液体”就变成坚硬的固体，使织物更强韧，难以被穿透。利用“剪切增稠液体”制造的新型防弹衣，平时柔软舒适，一旦遭到刀等利物砍、刺，或高速子弹、弹片冲击，就在受到冲击的瞬间变得坚韧无比，而且能将冲击力沿织物迅速分散开来，大大降低单位面积的压强。当冲击力消失之后，“剪切增稠液体”又恢复液体状态，织物也重新变软。然而，stf液体复合纤维材料在弹丸高速冲击下的防护效果并不理想，同时现实中的弹丸射击速度远大于剪切实验条件中的剪切速率可达到105～107s-1，stf液体复合材料防护强度低。

技术实现思路

1、本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种负泊松比复合防爆材料，将梯度手性超结构记忆合金骨架、剪切增稠液体与陶瓷结合在一起，具有低密度、高抗冲击强度、高抗断裂性能和良好的吸能减震性能。

2、本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种负泊松比复合防爆材料的制备方法，将梯度手性超结构记忆合金骨架、剪切增稠液体与陶瓷结合在一起，形成具有宏观负泊松比效应的周期性结构复合材料，大幅提升复合材料的防爆能力和防护性能。

3、本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种负泊松比复合防爆材料，其特征在于：包括梯度手性超结构记忆合金骨架增强相、剪切增稠液体填充剂和陶瓷颗粒增强相，其中记忆合金骨架增强相由梯度结构负泊松比胞体单元经过水平阵列并进行轴向拉伸形成，负泊松比胞体单元是由四韧带或者六韧带手性蜂窝结构梯度阵列组成，剪切增稠液体填充剂与陶瓷颗粒增强相混合形成混合液浸渗并完全填充记忆合金骨架，凝固后形成具有宏观负泊松比效应的具有三维连通结构的复合防爆材料，复合防爆材料中记忆合金骨架增强相的体积百分比为20％～60％，剪切增稠液体填充剂的体积百分比为20％～40％，陶瓷颗粒增强相的体积百分比为10％～50％。

4、作为优选，所述记忆合金骨架增强相的材质为镍钛记忆合金或高熵形状记忆合金。

5、优选的，所述陶瓷颗粒增强相的材质为al2o3陶瓷、b4c陶瓷、sic陶瓷、tib2陶瓷、zro2陶瓷、si3n4陶瓷、tin陶瓷、aln陶瓷中的一种或任几种任意比例混合物；陶瓷颗粒的粒径为0.02～10mm。

6、优选的，所述剪切增稠液体填充剂包括有机溶剂和粒子，有机溶剂的重量百分比为30～50％，有机溶剂需用乙醇稀释后使用。

7、进一步，所述有机溶剂为多醇类单体或多醇类单体低聚物中的一种或多种，其中多醇类单体为乙烯基乙醇、聚乙二醇或聚丙二醇、矿物油中的一种或多种；多醇类单体低聚物的分子量为200～2000g/mol；粒子为球体或者椭球体有机颗粒和无机颗粒的一种或多种；无机颗粒为二氧化硅、二氧化钛、三氧化铝、氧化镁、碳酸钙中的一种或多种，粒径为1nm～500nm；有机物颗粒为化学合成ps和pmma颗粒中的一种或多种，粒径为600nm～1200nm。

8、最后，所述剪切增稠液体填充剂还包括表面处理剂，其中无机颗粒的表面处理剂为硅烷偶联剂，硅烷偶联剂使用量为无机颗粒的4～5％。

9、本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种上述负泊松比复合防爆材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

10、1)成型梯度手性超结构记忆合金骨架：采用3d打印成型机的激光烧结工艺逐层烧结得到记忆合金骨架；

11、2)制备陶瓷颗粒和剪切增稠液体混合体：打开磁力搅拌器，将陶瓷颗粒和剪切增稠液体缓慢加入至器皿中混合均匀，放入超声波清洗器进行震荡，至混合液体澄清无气泡，获得均匀分散的陶瓷颗粒和剪切增稠液体混合体；

12、3)复合材料的凝固成型：将步骤1)得到的记忆合金骨架放入预先准备的模具中，然后缓慢倒入均匀分散的陶瓷颗粒和剪切增稠液体混合体，并超声波清洗器进行震荡处理，利用机械震荡作用使混合体渗透入记忆合金骨架并完全填充骨架间隙，最后在真空烘箱中一定温度下干燥，冷却凝固后记忆合金骨架增强相、剪切增稠液体与陶瓷颗粒增强相在三维空间中连续致密分布，形成具有负泊松比的梯度手性超结构记忆合金骨架和陶瓷增强颗粒增强剪切增稠液体的复合材料结构。

13、进一步，所述步骤1)的具体过程为：先对记忆合金骨架的结构参数进行优化设计，而后用三维造型软件生成周期性骨架的三维实体模型，将模型信息传送到3d打印成型机通过选取激光烧结工艺逐层烧结得到记忆合金骨架。

14、再进一步，所述步骤1)的成型得到的记忆合金骨架还需进行表面刻蚀或者粗化处理，得到改性的记忆合金骨架。

15、最后，所述步骤2)中的剪切增稠液体填充剂的制备方法如下：

16、a、将有机溶剂与乙醇倒入烧杯中，按质量比1：2～4进行稀释，加入搅拌子，并放入到磁力搅拌器中；

17、b、打开磁力搅拌器，将粒子和表面处理剂缓慢加入至烧杯中，将烧杯放入超声波清洗器进行震荡，至混合液体澄清无气泡即得剪切增稠液体；

18、其中，磁力搅拌器的搅拌速度设置为100-1500r/min；超声波清洗器的功率为400～600w。

19、与现有技术相比，本发明的优点在于：

20、1、本发明的梯度手性超结构记忆合金骨架、剪切增稠液体与陶瓷颗粒复合材料将记忆合金材料制成具有周期性规则孔洞的三维连通结构的金属骨架，而后将稀释的剪切增稠液体与陶瓷颗粒混合体浸入并填充记忆合金骨架的孔洞，形成三相连续且紧密结合的复合材料，通过这种方式形成的三相复合结构具有多效应的防爆机制耦合作用；周期性三维连通结构具有拓扑均匀性，能保证复合材料具有宏观基本一致的机械性能和抵抗侵彻能力；均匀分散的剪切增稠液体受到外力时瞬间变得强韧无比，将陶瓷球固定，并且能将冲击力迅速分散开来，内部的高强陶瓷球受到冲击，部分碎裂，进而吸收能量，起到双重防护的作用。

21、2、记忆合金骨架是梯度结构负泊松比胞体单元经过水平阵列并进行轴向拉伸形成，在宏观负泊松比特性作用下，复合材料靶板在受到局部侵彻时区域内材料会向受载区域收缩，局部密度增加，从而呈现更高的抗压强度以及摩擦耗能效应，进一步提高抗侵彻能力；而且负泊松比梯度变化的结构特点可以同时提高整体复合结构的吸能稳定性和综合吸能性能。

22、3、记忆合金骨架的机械性能能通过周期性胞元的结构参数进行优化设计，从而实现复合结构材料的功能性设计，使其在航空、航天和交通运输复合材料结构领域，特别在轻质防爆防护方面具有广阔的应用价值。

23、4、将手性超结构设计技术和剪切增稠液体技术相结合，首先采用3d打印技术制备出形成具有负泊松比的梯度手性超结构记忆合金骨架，将剪切增稠液体填充剂和陶瓷颗粒增强相预先通过机械振动和超声处理混合均匀后，浸入并完全填充记忆合金骨架，凝固后梯度手性超结构记忆合金骨架、剪切增稠液体与陶瓷颗粒增强相在三维空间中连续致密分布，形成具有宏观负泊松比效应的周期性结构复合材料，大幅提升复合材料的防爆能力和防护性能。

24、本发明制备方法科学合理，制备的复合防爆材料具有低密度、高抗冲击强度、高抗断裂性能和良好的吸能减震性能，在防爆、防弹及轻质装甲防护等方面拥有广阔的应用前景。