[发明专利]一种基于层级特性的超轻仿生复合材料管的制备方法

说明书

本发明提供了一种基于层级特性的超轻仿生复合材料管及其制备方法。它涉及一种仿生复合材料管及其制备方法。一种基于层级特性的超轻仿生复合材料管由多级合金管件、纤维、环氧树脂和泡沫树脂制备而成。制备方法包括：一、合金管件的表面清洗；二、制备纤维与合金管复合预制件；三、多级结构的装配；四、填充泡沫树脂。本发明基于对鸟羽、腿骨多尺度多层级嵌套及多孔结构的复制、还原及强化单元的提取和简化，制备的基于层级特性的超轻仿生复合材料管具有强度高，刚度高，断裂韧性高，密度低，疲劳性能好等优点，适用于航空、航天等领域。

技术领域

本发明涉及一种基于层级特性的超轻仿生复合材料管的制备方法。

背景技术

当代科技的不断发展使工业制造领域尤其是航空航天等高精尖领域对材料的性能提出了更多更高的要求，单一成分及结构的材料已经难以满足当前航空航天技术背景所要求的材料特殊或综合性能。当前，航空航天领域要求先进结构材料具有高强度、高韧性、轻量化、稳定性好等特点。对鸟羽、腿骨架的研究表明，其典型的类俄罗斯套娃多尺度多层级嵌套微观结构及多孔宏观结构，使其在具备高拉伸强度、弯曲强度、刚度和韧性的同时具备低密度。因此，鸟羽、腿骨架特殊的多尺度多层级嵌套结构可作为航空航天轻质高强高韧结构件设计的参考。

多级结构复合材料管体现了一种全新的材料结构设计思想，是由预制的多级尺寸复合材料单管经装配、灌装泡沫树脂填充固定制备而成的多层级复合管件结构。多级结构复合材料管不仅继承了复合材料的高强度、刚度，还具有仿自然生物体的高韧、轻质特点，因此，可应用于航空、航天、兵器等领域的承力结构材料，且具有大跨度下结构稳定性高的优势，特别适用于对重量要求苛刻的飞行器大跨度结构。

铝合金具有密度小、高比强度、高延展性，优良的导电性、导热性和抗蚀性等良好的综合性能及较低的成本等优点；钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高；基于上述优势，铝合金及钛合金在各个工业领域均开辟了广阔的应用前景。碳纤维复合材料的比强度和模量高，抗蠕变性能较优，耐疲劳性能优良，摩擦系数和磨损率低，导热、导电性能良好，热膨胀系数小，耐蚀性优良。芳纶纤维复合材料具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻、绝缘、抗老化、生命周期长等优良性能；超高模量聚乙烯纤维复合材料具有高比强度，高比模量，纤维密度低，断裂伸长低、断裂功大，具有很强的吸收能量的能力，具有突出的抗冲击性和抗切割性，抗紫外线辐射，防中子和γ射线，比能量吸收高、介电常数低、电磁波透射率高，耐化学腐蚀、耐磨性、有较长的挠曲寿命。因此被广泛应用于航空、航天等领域。对鸟羽骨架的研究表明，其微观结构是典型的类俄罗斯套娃层级结构，从宏观上讲鸟羽骨架是一种多孔结构，这是由于这种结构使得鸟羽骨架在满足刚度、强度和韧性的同时保持超轻量化。因此，鸟羽骨架的多级结构可作为航空航天轻质高强高韧结构件设计的参考。

发明内容

本发明提供了一种基于层级特性的超轻仿生复合材料管的制备方法，采用多级合金管件、纤维和树脂按以下步骤制备：

一、合金管件的表面清洗：

对多级合金管件的表面进行清洗，得到清洗后的多级合金管件；

进一步地，所述对多级合金管件的表面进行清洗是按以下步骤完成的：

①、首先使用砂纸对多级合金管件进行打磨，去除多级合金管件表面的污垢；然后使用丙酮或无水乙醇对打磨后的多级合金管件清洗1次～3次，再将多级合金管件浸入到碱水或酸中5min～10min，最后使用清水冲洗去除多级合金管件表面的碱水或酸；

步骤①中所述碱水为浓度为20g/L～40g/L的氢氧化钠溶液；

步骤①中所述酸为浓度为50g/L的盐酸；

②、以清水为清洗剂，利用超声波清洗机对多级合金管件超声清洗30min～60min，再将多级合金管件浸入无水乙醇中30min～60min，最后取出；

③、用洁净的压缩空气对多级合金管件进行吹干，得到清洗后的多级合金管件；