抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具备显著负泊松比效应的抗爆抗冲击复合材料及其制备方法。所述抗爆抗冲击复合材料包括基材和覆盖在基材上的抗爆抗冲击涂层。所述抗爆抗冲击涂层是由涂覆在基材上的涂料固化而成；所述抗爆抗冲击涂层中设置多层平行排布的多级异质纤维预制体。相邻所述各层多级异质纤维预制体间多级异质纤维的投影夹角为5°‑90°。所述各层多级异质纤维预制体所在的平面与涂层所抵抗的冲击载荷方向之间的夹角为5°‑90°。相邻所述多级异质纤维预制体的层间距为2mm‑20mm。所述抗爆抗冲击复合材料的阻尼性能、抗撕裂性能、抗拉性能、耗能吸能性能均大幅度提升，而且可有效防止材料损伤产生碎片飞溅，减少对人员及结构的二次伤害。

Explosion and impact resistant multi-stage heterogeneous fiber preform composite and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合材料及其制备方法
本专利技术属于材料领域，涉及一种抗爆抗冲击复合材料及其制备方法，具体地说，涉及一种基于多级异质纤维预制体的抗爆抗冲击复合材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，国内外爆炸事故频繁发生，对建筑物、装备和人的生命财产造成严重的威胁。爆炸事故之所以能造成巨大的生命财产损失，主要是由于发生时间短，冲击载荷非常大，无法采取有效的应对措施以降低伤害。通常来说，爆炸发生时，能量冲击首先会对爆炸中心周围的单位造成破坏；其次，爆炸产生的高速碎片和冲击波对周遭的建筑物和装备造成的破坏更加严重。而与此相对应的是，目前的建筑物和装备的外表面大多数仅具有防水、防腐蚀、防火的性能，但具有抗爆抗冲击的却鲜有报道，遇到这种情况只能遭受“无妄之灾”。由此可知，研究抗爆抗冲击复合材料并将其应用于建筑物、装备，将在很大程度上降低爆炸事故所带来的损失，具有重要的社会意义和经济意义。目前，多数建筑物、装备外层防水、防腐蚀、防火等性能是通过在建筑物、装备的基体结构上喷涂具有响应性能的涂层而实现的。建筑物、装备外层的抗爆抗冲击涂层尚未有所报道。但专利技术专利申请201810482655.5公开了“一种抗水下爆炸冲击涂层材料、制备方法及其应用”。该申请分别制备A、B两种组分并采用双组分高温高压撞击混合无气喷涂设备将A、B组分混合后喷涂于舰船壳体表面的底漆上，形成抗水下爆炸冲击涂层。该申请所述的涂层是目前抗爆功能聚脲材料领域常见的一种，由于该体系的纤维增强体及其基体材料的结构设计较为传统，其玻璃化转变温度区间较窄，抗爆抗冲击性能提升有限。从材料角度进行研究，改善建筑物、装备结构材料的防护抗爆性能，使建筑物、装备朝着高韧性、高延性方向发展，进而改善结构抗爆炸局部破坏性能；目前的常用手段是在建筑物、装备防护涂层中掺入韧性良好的纤维材料改变涂层低韧性强度和低温脆性状态，形成新的复合材料。但纤维在涂层中的杂乱分布对于建筑物、装备特定方向及内部结构抗冲击性能的提升非常有限。
技术实现思路
针对现有技术中建筑物、装备抗爆抗冲击方面遇到的问题，本专利技术提供了一种具备显著负泊松比效应的抗爆抗冲击复合材料及其制备方法。所述抗爆抗冲击复合材料的阻尼性能、抗撕裂性能、抗拉性能、耗能吸能性能均大幅度提升，而且可有效防止材料损伤产生碎片飞溅，减少对人员及结构的二次伤害。本专利技术的技术方案：抗爆抗冲击复合材料，包括基材和覆盖在基材上的抗爆抗冲击涂层。所述基材为金属、陶瓷、混凝土、玻璃、聚合物和复合材料中的一种或几种。所述抗爆抗冲击涂层是由涂覆在基材上的涂料固化而成，所述涂料为添加羟基化石墨烯并充分分散的醇酸树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、有机硅树脂、聚氨酯和聚脲中的一种或几种；所述羟基化石墨烯在涂料中的重量分数为0.2％-2.0％。羟基化石墨烯的羟基基团与涂层原料发生化学反应或极性吸附，限制了分子的运动，增加了应力与应变之间的相位滞后；因此，显著拓宽涂层的玻璃化转变温度区域，大幅度改善其损耗模量与阻尼性能，在低温下也可保证涂层的柔韧性，防止涂层裂纹的产生，解决了涂层的低温脆性弊端。所述抗爆抗冲击涂层中设置多层平行排布的多级异质纤维预制体。相邻所述各层多级异质纤维预制体间多级异质纤维的投影夹角为5°-90°。所述各层多级异质纤维预制体所在的平面与涂层所抵抗的冲击载荷方向之间的夹角为5°-90°。相邻所述多级异质纤维预制体的层间距为2mm-20mm。涂装抗爆抗冲击涂层的材料，由于多级纤维预制网的负泊松比网状结构，在发生爆炸时可以更大程度地吸收能量，保持涂层的完整性，使其抗爆抗冲击效果大幅度提升；此外，在相同冲击荷载下还能够阻止爆炸碎片飞溅，大大降低二次损伤程度。所述纤维预制体由若干根多级异质纤维经纬平织而成；所述多级异质纤维由多级辅纤维在芯纤维上缠绕而成。所述芯纤维为低模量纤维，所述多级辅纤维为不同弹性模量的高模量纤维。相邻所述多级异质纤维的芯纤维之间的距离为2mm-50mm。所述低模量纤维的弹性模量为50MPa-50GPa；所述高模量纤维的弹性模量为≥50GPa。所述辅纤维分级缠绕在芯纤维上；所述一级辅纤维弹性模量为50GPa-90GPa；所述第N级辅纤维与第N-1级辅纤维的弹性模量比为1.1-9.6，N为2-7；所述芯纤维与一级辅纤维的直径比为1.5-3.0，第N级辅纤维直径与第N-1级辅纤维的直径比为0.5-0.9，芯纤维与第N级辅纤维的直径比为2.5-15.0，N为2-7；所述第一级辅纤维螺旋角度为2°-8°，第N级辅纤维较第N-1级辅纤维的螺旋角度增加3°-15°，第N级辅纤维螺旋角度为5-60°，N为2-7。所述辅纤维采用螺旋角与弹性模量均呈梯度分布的多级高模量纤维，具有优良的耐久性和高抗拉强度，能够在微裂纹产生时抑制裂缝的扩展，促进涂层内应力的均匀分布，从而提高涂层的抗压强度和抗冲击性。而作为芯纤维的低模量纤维，其柔韧性可以提高纤维网织物结构及复合材料的抗拉、抗弯、抗剪性能，并在宏观裂缝产生时充分发挥作用避免基体快速损伤。其中，所述低模量纤维为聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、聚氯乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、聚酰亚胺纤维、聚酯纤维、聚氨酯纤维、纤维素纤维、聚四氟乙烯纤维和聚苯硫醚纤维中的一种或多种；所述高模量纤维为芳纶纤维、聚苯并咪唑纤维、聚苯并二恶唑纤维、聚芳酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、钢纤维、连续玄武岩纤维、碳化硅纤维、氧化镁纤维、氧化铝纤维、二氧化硅纤维、石英纤维、硅酸铝纤维、石墨烯纤维和硼纤维中的一种或多种。优选的是，所述第N级辅纤维与第N-1级辅纤维的弹性模量比为1.1-7.5，N为2-7；所述芯纤维与一级辅纤维的直径比为1.5-2.5，芯纤维与第N级辅纤维的直径比为2.5-10.0，第N级辅纤维螺旋角度为10-60°，N为2-7。所述的抗爆抗冲击复合材料的制备方法，其特征在于：所述制备的具体方法为：(1)一级异质纤维胚结构的加工制备：按照所述一级结构的螺旋角度，将所述作为一级辅纤维的高模量纤维缠绕在作为芯纤维的低模量纤维上，制备得到一级异质纤维胚结构；(2)一级异质纤维胚结构的固化处理：将固化剂加入到环氧树脂中充分搅拌，所述固化剂和环氧树脂的质量比为1.0:0.8-1.0:1.2；然后将步骤(1)制备的一级异质纤维胚结构浸入其中，加热至50℃-80℃，使一级异质纤维胚结构充分浸渍后提拉出固化体系，静置，直至固化完成，得到一级异质纤维结构；(3)多级异质纤维结构的加工制备：将步骤(2)所得的异质纤维作为一级结构，按照所述N级结构的螺旋角度，依次重复步骤(1)和步骤(2)，得到N级异质纤维结构，N为2-7；(4)多级异质纤维预制体的编织制备：将所得N级异质纤维，按照经纬方向，通过经纬平织方法，编织成为经纬平织结构，然后将步骤(2)所述固化体系充分涂覆在经纬平织结构的所有经纬交接点，静置，直至完成固化，得到N级异质纤维预制体，N为2-7；(5)抗爆抗冲击复合材料的制备：将质量分数为0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合材料，包括基材和覆盖在基材上的抗爆抗冲击涂层，其特征在于：所述抗爆抗冲击涂层中设置多层平行排布的多级异质纤维预制体；所述纤维预制体由若干根多级异质纤维经纬平织而成；所述多级异质纤维由多级辅纤维在芯纤维上缠绕而成；所述芯纤维为低模量纤维，所述多级辅纤维包括依次缠绕在芯纤维上的弹性模量不同的高模量纤维；所述多级辅纤维中的一级辅纤维弹性模量为50 GPa-90GPa；第N级辅纤维与第N-1级辅纤维的弹性模量比为1.1-9.6，N=2-7；所述芯纤维与一级辅纤维的直径比为1.5-3.0，芯纤维与第N级辅纤维的直径比为2.5-15.0，第N级辅纤维与第N-1级辅纤维的直径比为0.5-0.9，N为2-7；所述第一级辅纤维螺旋角度为2°-8°，第N级辅纤维的螺旋角度较第N-1级辅纤维增加3°-15°，第N级辅纤维螺旋角度为5-60°，N为2-7。/n

【技术特征摘要】
1.抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合材料，包括基材和覆盖在基材上的抗爆抗冲击涂层，其特征在于：所述抗爆抗冲击涂层中设置多层平行排布的多级异质纤维预制体；所述纤维预制体由若干根多级异质纤维经纬平织而成；所述多级异质纤维由多级辅纤维在芯纤维上缠绕而成；所述芯纤维为低模量纤维，所述多级辅纤维包括依次缠绕在芯纤维上的弹性模量不同的高模量纤维；所述多级辅纤维中的一级辅纤维弹性模量为50GPa-90GPa；第N级辅纤维与第N-1级辅纤维的弹性模量比为1.1-9.6，N=2-7；所述芯纤维与一级辅纤维的直径比为1.5-3.0，芯纤维与第N级辅纤维的直径比为2.5-15.0，第N级辅纤维与第N-1级辅纤维的直径比为0.5-0.9，N为2-7；所述第一级辅纤维螺旋角度为2°-8°，第N级辅纤维的螺旋角度较第N-1级辅纤维增加3°-15°，第N级辅纤维螺旋角度为5-60°，N为2-7。


2.根据权利要求1所述的抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合材料，其特征在于：相邻所述多级异质纤维的芯纤维之间的距离为2mm-50mm；所述低模量纤维的弹性模量为50MPa-50GPa；所述高模量纤维的弹性模量为≥50GPa；第N级辅纤维与第N-1级辅纤维的弹性模量比为1.1-7.5，N为2-7；所述芯纤维与一级辅纤维的直径比为1.5-2.5，芯纤维与第N级辅纤维的直径比为2.5-10.0，第N级辅纤维螺旋角度为10-60°，N为2-7。


3.根据权利要求2所述的抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合材料，其特征在于：所述抗爆抗冲击涂层是由涂覆在基材上的涂料固化而成，所述涂料为添加羟基化石墨烯并充分分散的醇酸树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、有机硅树脂、聚氨酯和聚脲中的一种或几种；所述羟基化石墨烯在涂料中的重量分数为0.2%-2.0%。


4.根据权利要求2所述的抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合材料，其特征在于：相邻所述各层多级异质纤维预制体间多级异质纤维的投影夹角为5°-90°。


5.根据权利要求2所述的抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合材料，其特征在于：所述各层多级异质纤维预制体所在的平面与涂层所抵抗的冲击载荷方向之间的夹角为5°-90°。


6.根据权利要求3-5中任意一项所述的抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合材料，其特征在于：相邻所述多级异质纤维预制体的层间距为2mm-20mm。


7.根据权利要求6所述的抗爆抗冲击多级异质纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：马衍轩，徐亚茜，李梦瑶，于霞，宋晓辉，段玉莹，马巧玲，付佳婷，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37