[发明专利]一种基于组合仿生的纤维增强复合材料构件及其多点模具成型方法

说明书

本发明公开一种基于组合仿生的纤维增强复合材料构件及其多点模具成型方法，所述组合仿生的纤维增强复合材料构件仿照红耳滑龟龟壳的三明治结构，由中间层与上、下蒙皮构成；所述中间层仿照红耳滑龟龟壳松质骨结构，采用具有孔隙结构的泡沫金属材料或三维纤维织物；所述上、下蒙皮采用仿龟壳腹侧皮层与背侧皮层、仿螳螂虾螯棒、仿鱼类鱼鳞及其组合仿生的胶原纤维铺排结构，上、下蒙皮中的纤维层数可以相等或不等；本发明通过对龟壳，螳螂虾螯棒、鱼类鳞片等自然界抗冲击结构进行组合仿生，有效提升了构件的力学性能，实现了构件结构、功能一体化，使构件能够更好地适应实际工况中的复杂应力状态。

技术领域

本发明涉及新材料领域中的复合材料结构技术领域，尤其涉及一种基于组合仿生的纤维增强复合材料构件及其多点模具成型方法。

背景技术

在材料领域，强度与韧性是相互对立的两项性能。通过研究，人们发现夹芯板具有高比强度、高能量吸收特性及轻质的优点，可以同时满足强度与韧性的需求，因而被广泛用于轨道交通，航空航天等领域。但是，一方面随着交通运输行业的不断发展，对飞机、轨道客车及汽车等交通运输工具提出了更高的要求，另一方面在交通运输工具运行过程中需要应对更加复杂的应力状态。因此，需要对材料进行合理的重新设计以实现性能的提升。

通常，人们借助仿生学的方法，通过对自然界中典型的抗冲击生物进行研究来获取结构设计的灵感。龟类爬行动物经过约两亿年的进化形成了坚硬的甲壳，这些外壳可以保证龟类抵御捕食者的咬合，免受从高处掉落而受到的伤害。多种鱼类的鳞片也是常见的生物装甲，可以保护鱼类免受捕食者的攻击。与防御型生物不同的是，螳螂虾的螯棒可以轻易击碎贝壳而不会破坏，其螯棒具有良好的抗冲击性能。显而易见，这种源于自然的生物结构具有人工结构无法比拟的卓越性能。但是，单一的生物进化只针对于单一的环境，生物装甲的性能就会受到限制，无法进一步提升性能并满足复杂的使用环境。

因此，通过对自然界中的多种抗冲击生物进行仿生研究，辅以合理的结构设计，将多种生物的结构进行有效的复合，有利于打破单一结构抗冲击性能的限制，实现强度与韧性的共同提升，为飞机、汽车等交通运输工具在使用过程中遇到的复杂受力情况提供良好的解决办法。

发明内容

本发明提供一种基于组合仿生的纤维增强复合材料构件及其多点模具成型方法，通过结合多种典型生物的抗冲击结构，设计了组合仿生结构的高强韧性纤维增强复合材料构件，显著提高了夹芯板的抗冲击性能，实现了强度与韧性的同时提升，使构件可以适应交通工具在运行中受到的复杂应力。

本发明提供的一种基于组合仿生的纤维增强复合材料构件，包括：

构件主体，所述构件主体为仿生红耳滑龟龟壳的三明治结构；

所述构件主体形成有上蒙皮、中间层和下蒙皮；

所述上蒙皮和下蒙皮为多层纤维材料；所述上蒙皮和下蒙皮采用仿生龟壳腹侧皮层螺旋无序方式与背侧皮层0或90°正交铺排方式；或

螳螂虾螯棒镜面对称或中心对称螺旋铺排方式；或

鱼类鳞片分组铺排方式；或

多种生物组合的铺排方式；

所述中间层采用具有孔隙结构的泡沫金属材料或三维编织材料；

所述中间层为仿生红耳滑龟龟壳松质骨结构；

所述构件主体整块成型或由构件主体通过形成厚度的空间人字形缝合线单向纤维材料连接；

所述纤维材料由空间人字形缝合线处向两侧的构件主体延伸形成网格以实现包覆整体构件主体。

进一步的，所述上蒙皮、下蒙皮的纤维层以仿生龟壳的腹侧皮层与背侧皮层结构按无序方式与0或90°正交方式铺排；其中

所述无序铺排方式指纤维层的铺排方向随机，0或90°铺排方式指纤维层按0°和90°两个角度循环铺排；