[發明專利]多層疊加曲面體柱胞結構的夾芯復合材料

有效

• 申請號: 201610149384.2
• 申請日: 2016-03-16
• 公開（公告）號: CN105774052B
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發明（設計）人: 鄧安仲;李飛;戎翔;李勝波;王友軍;王欣宇方
• 申請（專利權）人: 鄧安仲
• 主分類號: B32B1/06
• 分類號: B32B1/06;B32B3/28;B32B15/01;B32B15/04
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司50212
• 代理人: 李曉兵

技術領域

本發明涉及吸能式夾芯復合材料，尤其是由多層疊加曲面體形成的多級吸能式柱胞式夾芯復合材料。

背景技術

工業生產、裝備制造、航天航空以及軍事防護等對于輕質、高強、吸能、減振的新型復合材料需求越來越高。夾芯材料一般是由兩層高強度薄面板和中間輕質芯層通過焊接或膠接等而成，它既結合了面板材料抗彎曲、拉伸能力強和芯層材料塑性變形吸能的優勢，又利用了夾芯結構輕質、比強度高、比剛度大和吸能減振等優點，是一種功能一體化結構材料，在上述領域得到快速發展。

夾芯材料按照芯層的種類可分為1、聚合物夾芯復合材料，2、泡沫鋁夾芯復合材料，3、點陣夾芯材料等類型等三類。

1、聚合物夾芯復合材料：聚合物泡沫材料是一種最常見的芯層材料，主要有聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PU）、聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）、聚醚酰亞胺（PEI）和丙烯腈-苯乙烯（SAN或AS）[8]。其中，硬質聚氨酯（RPUR）泡沫材料，能夠通過自身顯著的塑性壓縮緩和沖擊、降低應力幅值，且在一定應變率范圍內，隨著應變率的增加，屈服強度逐漸增加。但是聚合物泡沫材料強度偏低，沖擊荷載下的應力應變率小，相同厚度尺寸下的吸能率小，吸能性能較有限。

2、泡沫鋁夾芯復合材料：泡沫鋁夾芯復合材料是在兩層金屬面板中間填充一層泡沫鋁材料的復合吸能材料。該種復合材料常使用鋼板、鋁合金板等材料作為上下面板以提高結構承載強度，并利用泡沫鋁材料沖擊波阻抗較低的特點，在沖擊荷載作用下產生塑性變形被壓實，從而大大地削弱應力波強度。雖然泡沫鋁作為吸能材料越來越受到人們的關注，但其吸能性能的穩定受孔徑分布影響較大，當孔徑的分布不均勻時可能導致局部區域出現應變較低但應力集中的現象，局部應力超過了泡沫鋁基體材料的屈服應力，最終導致早期的局部塑性失穩，難以保持變形過程中應力均勻、穩定，且泡沫鋁材料價格較高，也限制其應用范圍。

3、點陣夾芯材料。

點陣材料是一種具有有序微結構的多孔材料，其特點是體密度小、比表面積大、比力學性能高等。將其作為芯層的點陣夾芯材料在爆炸沖擊波荷載作用下因結構動態失穩而產生巨大的塑性變形，可有效地耗散沖擊波能量，因而具有良好的抗爆炸沖擊性能。根據點陣材料的結構形式，可將點陣夾芯復合材料分為二維和三維點陣夾芯材料。二維點陣夾芯材料其芯層結構主要由平面多邊形經垂直平面方向拉伸而成。三維點陣夾芯材料其芯層結構主要由桿、板、柱胞等微元件按一定規則排列而成。

（1）拓撲構型夾芯材料

拓撲構型夾芯材料是以桿為微元件的三維點陣夾芯材料，是一種通過模擬分子點陣構型而設計的含靜定/靜不定的多孔有序微結構材料，其常見的幾何構型包括括Kagomé結構、金字塔結構、四面體結構等。拓撲構型點陣材料其比強度、比剛度要高于常用蜂窩材料，且承載能力較強，同時在沖擊荷載作用下，能夠通過芯層桿件的屈曲、分層、斷裂等較大的變形有效地吸收沖擊波能量。

在單位質量沖擊能量較大時，四面體結構夾芯材料比蜂窩夾芯材料更具有優勢，尤其是金字塔結構夾芯材料吸能特性更優異。但是拓撲構型夾芯材料的加工難度大，尤其是金字塔結構夾芯材料的加工復雜制約其廣泛應用。

（2）波紋夾芯材料

波紋夾芯材料是一種常見的三維點陣夾芯材料，其芯層是以板為微元件構成，只沿某一方向規則排列，縱截面形似波紋狀，再復合上下兩層輕質面板。常見波紋芯層結構。波紋夾芯材料具有比強度高、比剛度高的特點，在防火隔熱、耐撞擊、抗爆等方面也具有良好的性能。相比于其他夾芯復合材料，波紋夾芯復合材料除抗爆性能良好外還具有承載能力強的特點。波紋夾芯復合材料高速沖擊條件下的變形相對較小，峰值荷載相對較大，吸收的能量效率不高。

（3）柱胞夾芯材料