[发明专利]一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料

说明书

本发明公开了一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料，由多个螺旋结构相互嵌套形成三维的整体阵列结构，并在纵向由过渡层隔开；每个螺旋结构由纤维层铺排而成，所述纤维层由多根单向排列的纤维构成；所述纤维层绕垂直于纤维层板且在层板角处的扭转轴螺旋铺排，同时，所述螺旋结构绕垂直于扭转轴且在纤维层平面内的倾斜轴倾斜铺排；所述螺旋结构中存在随机分布的孔道。本发明通过对蝎子螯的结构进行仿生，在保证结构抗冲击性与厚度方向灵活性的同时，通过螺旋结构的嵌套与孔道小管结构有效地提高了纤维复合材料的抗弯剪能力。

技术领域

本发明涉及新材料领域中的复合材料技术领域，具体涉及一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料。

背景技术

为达到节能减排的目的，轻量化成为了目前交通工具制造业的热点与难题。在航空航天和汽车领域中使用较多的板材大多为合金材料。由于金属较大的分子量，实现轻量化较为困难，而由纤维增强的复合材料既可以达到板材机械性能的要求也可以实现轻量化的目的。

通过进化过程，自然生物形成特殊的结构——螺旋层状结构来抵抗天敌，捕获猎物。借助仿生学，这种结构应用于航空航天、汽车等复合层压板的抗冲击设计。传统的螺旋结构由层压板绕中心轴线铺排，这种结构具有良好的抗冲击性能，但是抗弯剪能力不足。而飞机，汽车等交通工具在使用过程中往往面对复杂的受力情况。在承受外部载荷时，传统结构的层压板易发生分层破坏，难以应对复杂的受力情况。

科研人员在蝎子螯中发现了新的螺旋层压结构。这种结构通过扭转与倾斜形成特殊的螺旋结构，同时，一个结构与它相邻的结构相互嵌套，从而在保持抗冲击性能的同时大大提高了材料的抗弯剪能力。但是对于这种结构的研究较少而且复制并合成这种结构也成为一项难题。

因此，通过对蝎子螯中特殊的螺旋结构进行仿生研究，模拟蝎子螯的结构进行纤维的铺排设计，为飞机、汽车在使用过程中遇到的复杂受力情况提供了良好的解决办法。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料，采用仿蝎子螯的纤维铺排结构，在保证抗冲击性的同时提高结构的抗弯剪能力。

为了实现上述目的，本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提供一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料，其特征在于，所述复合材料由多个螺旋结构相互嵌套形成三维的整体整列结构，并在纵向由过渡层隔开；每个螺旋结构由纤维层逐层铺排而成，所述纤维层由多根单向排列的纤维构成；所述纤维层绕垂直于纤维层板且在层板角处的扭转轴螺旋铺排，同时，所述纤维层绕垂直于扭转轴且在纤维层平面内的倾斜轴倾斜铺排；所述螺旋结构中存在随机分布的孔道。

其中，所述相邻的纤维层扭转角增量为α，倾斜角增量为β。

上述的一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料中，所述螺旋结构分为上下两部分，纤维层从中间分别向上向下铺排。

上述的一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料中，所述螺旋结构上半部分纤维层沿Z轴正方向由0°顺时针逐层扭转至负90°；所述扭转轴垂直于第一层纤维平面且位于纤维层角处；所述相邻的纤维层扭转角增量α为((1.8±X)n)°，其中0≤X≤10，n为角度系数；所述螺旋结构的上半部分由90/α+1层纤维层铺成。

上述的一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料中，所述螺旋结构下半部分纤维层沿Z轴负方向由0°逆时针逐层扭转至正90°；所述扭转轴与Z轴平行；所述相邻的纤维层扭转角增量α为((1.8±X)n)°，其中0≤X≤10，n为角度系数；所述螺旋结构的下半部分由90/α+1层纤维层铺成。

上述的一种仿蝎子螯结构与功能的纤维增强复合材料中，所述螺旋结构上半部分与下半部分的倾斜轴在纤维层平面内相互垂直；所述纤维层绕倾斜轴分别从中间层向上由0°逐层倾斜铺排至正90°、向下逐层倾斜铺排至负90°；所述相邻的纤维层倾斜角增量β与扭转角增量α相等。