一种面板层密度呈梯度分布的三明治结构复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及冲击防护的技术领域，尤其涉及一种面板层密度呈梯度分布的三明治结构复合材料及其制备方法。

背景技术

高速碰撞、撞击往往会产生应力波，其传播速度快达几公里每秒，且对人的生命、财产产生巨大危害。为获得良好的应力波防护效果，要求材料具有高吸能和低透射峰值应力的变形特性。而具有多孔结构的三明治结构材料是一种常用的工程吸能材料，广泛用于城市建设、车辆安全、航空航天等领域。在多孔结构材料中，随着相对密度增加，材料的吸能性能和透射峰值应力幅值同时升高，而且单位体积的吸能大小与透射峰值应力成正比例关系。为同时获得高吸能和低透射峰值应力的要求，需要合理调控材料的组分分布和结构，设计出一种新型的三明治结构复合材料。

目前，科研工作者主要通过对三明治结构材料的中间层进行几何外形设计和材料组分优化，来改变中间层结构的变形加载历史曲线，从而提高其整体结构的应力波衰减性能。在几何外观设计上，常见的改进结构有蜂窝结构、点阵结构和仿生结构中间层结构等；在组分优化上，常采用泡沫铝中间层和木制中间层等。上述方法对材料的吸能性能进行一定程度的提高，但是，其调控手段较为复杂且成本较高，难以实现产业化，同时忽略了对峰值应力的调控，使其应用范围受限。同时，研究人员对三明治结构材料的面板层进行优化设计，如Huo等人设计Al6061、Steel、CFRP三种面板层材料三明治结构(Sun G,Wang E,ZhangJ,et al.Experimental study on the dynamic responses of foam sandwich panelswith different face-sheets and core gradients subjected to blast impulse[J].International Journal of Impact Engineering,2020,135:103327)和三种CFRP面板层厚度的三明治结构(Huo X,Sun G,Zhang H,et al.Experimental study on low-velocityimpact responses and residual properties of composite sandwiches withmetallic foam core[J].Composite Structures,2019,223:110835)，其中CFRP面板层三明治结构的单位体积的吸能值高达2450KJ/m

波阻抗匹配理论被广泛用于设计低峰值应力特性材料，如Xiao L等人设计出中间层的波阻抗分布由高到低的三明治结构复合材料(Xiao L,Song W,Xu X.Experimentalstudy on the collapse behavior of graded Ti-6Al-4V micro-lattice structuresprinted by selective laser melting under high speed impact[J].Thin-WalledStructures,2020,155:106970)，当应力波从高阻抗介质传播到低阻抗介质时发生散射，使得其峰值应力下降了20％。这种波阻抗的设计方法为同时具有低峰值应力和高吸能的三明治结构复合材料制备提供了理论指导。考虑到面板层优化对吸能性能的强提升作用和梯度结构有利于降低峰值应力，本发明拟设计制备一种新型的面板层密度呈梯度分布的三明治结构复合材料。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明针对现有三明治结构材料的高吸能性能和低透射峰值应力不能兼顾的问题。本发明选用商业用途的泡沫材料作为中间层，来满足低成本、高吸能性能；通过对面板层进行结构设计来实现其波阻抗呈非线性梯度变化，从而实现低峰值应力。并采用多次成型的方法，将热压成型和粘接成型结合的方式，获得高吸能性能和低透射峰值应力的三明治面板层结构复合材料。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种面板层密度呈梯度分布的三明治结构复合材料，所述三明治结构复合材料的组成为PE面板层/Al of Foam(AF)中间层/Ti-6Al-4V背板层，其中PE面板层由三层密度呈梯度变化的三层PE板组成，其密度范围在0.87～1.29g/cm

作为上述技术方案的优选，本发明提供的面板层密度呈梯度分布的三明治结构复合材料进一步包括下列技术特征的部分或全部：

作为上述技术方案的改进，所述PE面板层由UHMWPE纤维布和LDPE高压薄膜组成，其中LDPE高压薄膜的质量分数大于25％。

本发明还提供所述面板层密度呈梯度分布的三明治结构复合材料的制备方法，包含如下步骤：将UHMWPE纤维无纺布和LDPE高压薄膜分别裁剪成薄片，除水，以ABAB形式堆叠成3个预制PE片，UHMWPE纤维无纺布按照0/90°进行排列后真空密封；将复合原料放入模具中，采用热压成型制备PE面板层，与AF板和Ti-6Al-4V板按照PE1/PE2/PE3/AF/Ti-6Al-4V的顺序排列，通过粘结工艺制备得到所述三明治结构复合材料。

作为上述技术方案的优选，本发明提供的面板层密度呈梯度分布的三明治结构复合材料的制备方法进一步包括下列技术特征的部分或全部：

作为上述技术方案的改进，所述UHMWPE纤维无纺布与PE高压薄膜在使用前通过超声波清洗表面杂质和油污。

作为上述技术方案的改进，所述UHMWPE纤维无纺布和LDPE高压薄膜的总量中LDPE高压薄膜的质量分数不小于25％

作为上述技术方案的改进，所述UHMWPE纤维无纺布和LDPE高压薄膜的比例分别为20/20、12/28、8/32。

作为上述技术方案的改进，所述热压成型，加热温度为110℃～138℃，压力为0.5～1MPa，保温时间为8～15min。

作为上述技术方案的改进，所述PE板厚度为2-20mm，层数为1-160层；AF板，厚度为5-20mm；Ti-6Al-4V板，厚度为2-10mm。

作为上述技术方案的改进，所述PE面板层单层厚度均为5mm；AF板，厚度为10mm；Ti-6Al-4V板，厚度为5mm。

作为上述技术方案的改进，所述粘接工艺，压力为0.2～0.5MPa

作为上述技术方案的改进，所述三明治结构复合材料具有优异的应力波衰减性能，单位体积吸收能量值大于1312KJ/m

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：

1.本发明结合梯度设计思路和波阻抗匹配思路，通过对面板层进行梯度设计调控面板层的波阻抗分布，成功设计了一种高吸能、低透射峰值应力的PE/AF/Ti-6Al-4V三明治结构复合材料。相对于现有的以中间层结构调控为主的三明治结构复合材料，本发明设计的面板层密度呈梯度分布的三明治结构复合材料的面密度更低，且抗冲击性能更优异，并兼顾高吸能和低透射峰值应力。相对于现有的碳纤维树脂面板层三明治结构材料，本发明设计的PE面板层成本更低。

2.本发明通过热压成型结合粘接工艺整体成型的工艺方法，面板层内部、面板层与中间层之间具有强界面，且操作灵活。通过热压工艺制备的不同密度的PE板，采用了ABAB的预先铺层方式，避免了PE板中出现缺陷、气孔、脱胶等问题，提高了PE板整体的均匀性和强度。同时，该方法突破了传统三明治结构材料单一的粘接工艺成型方法，丰富了三明治结构复合材料的制备工艺方法，扩展了三明治结构复合材料的层数设计范围。

3.本发明制备的面板层密度呈梯度分布的三明治结构复合材料具有优异的应力波衰减性能，兼顾高吸能和低透射峰值应力的优良特性，吸收能量大于1312KJ/m3，吸能效率高达22％，比吸能高达1071.65J/kg，透射峰值应力低至5.51MPa，优于传统含泡沫铝三明治结构复合材料。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1(a)为实施例1制备得到的PE1PE1PE1AFTC4三明治结构复合材料的图示；

图1(b)为实施例2制备得到的PE1PE2PE3AFTC4三明治结构复合材料的图示；

图1(c)为实施例3制备得到的PE3PE2PE1AFTC4三明治结构复合材料的图示；

图1(d)为实施例4制备得到的PE1AFTC4三明治结构复合材料的图示；

图2为不同PE层的三明治结构复合材料透射峰值应力图；

图3为实施例1-4制备得到的PE1PE1PE1AFTC4三明治结构复合材料的工程应力应变图。

具体实施方式

下面详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。

在下述实施例中：采用霍普金森压杆(SHPB)对三明治结构复合材料进行动态冲击性能测试。待测样品按照GBT 34108-2017《金属材料高应变速率室温压缩试验方法》所示标准进行制备，待测样品为直径20mm，长度25mm的圆柱体试样，测试的速度为15m/s。为保证测试准确性，需要保证样品的平行度，测试前需要对样品表面进行打磨每组测试需要重复测试5次，取其平均结果作为试样的抗冲击性能，测试后，以压缩应力为纵坐标，应变为横坐标，绘制工程应力应变曲线，通过计算曲线下方面积获得材料的吸能性能，如吸能大小、比吸能大小、吸能效率等。

实施例1

一种均质PE面板层分布三明治结构复合材料，它的组成体系为PE/AF/Ti-6Al-4V，其中PE、AF和Ti-6Al-4V的厚度比为9/10/5mm。

上述三明治结构复合材料的制备方法，具体步骤如下:

(1)原料准备：将PE纤维无纺布和PE高压薄膜裁剪成直径20mm的圆片，各20片；将AF板线切割成直径20mm，厚度10mm的圆柱体；将TC4板线切割成直径20mm，厚度5mm的圆柱体；

(2)预制PE板：将步骤(1)中加工好的PE纤维无纺布和PE高压薄膜按照20/20、20/20、20/20的比例A/B/A/B的铺层方式，其中PE纤维无纺布按照0/90°进行排列。将排列好的复合材料进行真空密封，防止外界空气进入。

(3)PE板热压制备：将步骤(2)中预制PE板放入不锈钢模具中，在112℃、0.5MPa下，保温8min，加热10min。冷却，脱模取出PE板。

(4)粘接工艺：将步骤(3)中制备好的三种PE板与步骤(1)中加工好的AF板、TC4板在0.2MPa下通过ab胶水粘接在一起，制备出PE1PE1PE1面板层三明治结构复合材料。

所得三明治结构复合材料的吸能大小为1152KJ/m

实施例2

一种正梯度密度分布PE面板层三明治结构复合材料，它的组成体系为PE/AF/Ti-6Al-4V，其中PE、泡沫铝和Ti-6Al-4V的厚度比为9/10/5mm。

上述三明治结构复合材料的制备方法，具体步骤如下:

(1)原料准备：将PE纤维无纺布和PE高压薄膜裁剪成直径20mm的圆片，各20片；将AF板线切割成直径20mm，厚度10mm的圆柱体；将TC4板线切割成直径20mm，厚度5mm的圆柱体；

(2)预制PE板：将步骤(1)中加工好的PE纤维无纺布和PE高压薄膜按照20/20、12/28、8/32的比例A/B/A/B的铺层方式，其中PE纤维无纺布按照0/90°进行排列。将排列好的复合材料进行真空密封，防止外界空气进入。

(3)PE板热压制备：将步骤(2)中预制PE板放入不锈钢模具中，在120℃、0.7MPa下，保温10min，加热10min。冷却，脱模取出PE板

(4)粘接工艺：将步骤(3)中制备好的三种PE板与步骤(1)中加工好的AF板、TC4板在0.3MPa下通过ab胶水粘接在一起，制备出PE1PE2PE3面板层三明治结构复合材料。

所得三明治结构复合材料的吸能大小为1312KJ/m

实施例3

一种逆梯度密度分布PE面板层三明治结构复合材料，它的组成体系为PE/AF/Ti-6Al-4V，其中PE、AF和Ti-6Al-4V的厚度为9/10/5mm。

上述三明治结构复合材料的制备方法，具体步骤如下:

(1)原料准备：将PE纤维无纺布和PE高压薄膜裁剪成直径20mm的圆片，各20片；将AF板线切割成直径20mm，厚度10mm的圆柱体；将TC

(2)预制PE板：将步骤(1)中加工好的PE纤维无纺布和PE高压薄膜按照20/20、12/28、8/32的比例A/B/A/B的铺层方式，其中PE纤维无纺布按照0/90°进行排列。将排列好的复合材料进行真空密封，防止外界空气进入。

(3)PE板热压制备：将步骤(2)中预制PE板放入不锈钢模具中，在130℃、0.8MPa下，保温10min，加热10min。冷却，脱模取出PE板

(4)粘接工艺：将步骤(3)中制备好的三种PE板与步骤(1)中加工好的AF板、TC4板在0.4MPa下通过ab胶水粘接在一起，制备出PE3PE2PE1面板层三明治结构复合材料。

所得三明治结构复合材料的吸能大小为1630KJ/m

实施例4

一种单一密度PE面板层三明治结构复合材料，它的组成体系为PE/AF/Ti-6Al-4V，其中PE、AF和Ti-6Al-4V的厚度为3/30/5mm。

上述三明治结构复合材料的制备方法，具体步骤如下:

(1)原料准备：将PE纤维无纺布和PE高压薄膜裁剪成直径20mm的圆片，各20片；将AF板线切割成直径20mm，厚度10mm的圆柱体；将TC4板材线切割成直径20mm，厚度5mm的圆柱体；

(2)预制PE板：将步骤(1)中加工好的PE纤维无纺布和PE高压薄膜按照20/20的比例A/B/A/B的铺层方式，其中PE纤维无纺布按照0/90°进行排列。将排列好的原料进行真空密封，防止外界空气进入。

(3)PE板热压制备：将步骤(2)中预制PE板放入不锈钢模具中，在138℃、1.0MPa下，保温10min，加热10min。冷却，脱模取出PE板

(4)粘接工艺：将步骤(3)中制备好的三种PE板与步骤(1)中加工好的AF板、TC4板在0.5MPa下通过ab胶水粘接在一起，制备出PE1面板层三明治结构复合材料。

所得三明治结构复合材料的吸能大小为339KJ/m

图1为不同PE层的三明治结构复合材料示意图；其中，图1(a)为实施例1制备得到的PE1PE1PE1AFTC4三明治结构复合材料的图示；图1(b)为实施例2制备得到的PE1PE2PE3AFTC4三明治结构复合材料的图示；图1(c)为实施例3制备得到的PE3PE2PE1AFTC4三明治结构复合材料的图示；图1(d)为实施例4制备得到的PE1AFTC4三明治结构复合材料的图示。、

图2为不同PE层的三明治结构复合材料透射峰值应力图；其中，图2(曲线a)为实施例1制备得到的PE1PE1PE1AFTC4三明治结构复合材料的峰值应力图；图2(曲线b)为实施例2制备得到的PE1PE2PE3AFTC4三明治结构复合材料的透射峰值应力图；图2(曲线c)为实施例3制备得到的PE3PE2PE1AFTC4三明治结构复合材料的透射峰值应力图；图2(曲线d)为实施例4制备得到的PE1AFTC4三明治结构复合材料的透射峰值应力图；图2是四种试样的峰值应力曲线，其中a为均质PE层，b为正梯度密度PE层，c为逆梯度密度PE层，d为单层PE层；a，b，c与d比较面密度，虽然增加了PE层层厚，但是样品的整体厚度降低了13mm，其面密度低至3.79g/cm

图3为不同PE层的三明治结构复合材料的工程应力应变图；其中，图3(曲线a)为实施例1制备得到的PE1PE1PE1AFTC4三明治结构复合材料的工程应力应变图；图3(曲线b)为实施例2制备得到的PE1PE2PE3AFTC4三明治结构复合材料的工程应力应变图；图3(曲线c)为实施例3制备得到的PE3PE2PE1AFTC4三明治结构复合材料的工程应力应变图；图3(曲线d)为实施例4制备得到的PE1AFTC4三明治结构复合材料的工程应力应变图。图3是四种结构的应力应变曲线与吸能效率曲线；通过上述曲线可以计算出四种试样的单位体积吸能大小(图三中虚线围成的面积)和比吸能值(单位体积吸能大小/质量)，吸能大小越大、比吸能值越高说明复合材料的抗冲击性能越好，梯度试样b，c与非梯度试样a比较吸能效率和比吸能值、吸能大小，其中梯度试样吸能大小高达1311.8KJ/m

本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。