基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板及其制备方法，在至少三层单向碳纤维层之间设置增韧层，所述增韧层包括纳米纤维膜以及附着在所述纳米纤维膜上的纳米结构，与所述增韧层相邻的两个单向碳纤维层的铺排角度不相同且是根据猛禽羽毛的羽轴和羽枝之间的角度设置，形成了基于羽毛的协同仿生复合材料层合板。本发明模仿猛禽羽毛的结构，根据其羽枝和羽轴的夹角结构设置至少三层单向碳纤维层的单向碳纤维的铺排角度，根据其羽枝和羽小枝的多级钩连结构设置增韧层结构，将猛禽羽毛的协同仿生的理念应用到复合材料层合板的设置中，获得的复合材料层合板兼具高强度、高韧性和轻量化的特点，在航空复合材料领域具有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料层合板制造领域，尤其涉及一种基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板及其制备方法。

背景技术

在航空领域，实现飞行器的轻量化是永恒的研究主题，在关键部件中选用复合材料是航空飞行器轻量化的主要手段之一，其中由碳纤维增强基复合材料制备的层合板结构由于兼具强度高、质量轻、抗疲劳和不易腐蚀等特点，已经广泛应用于航空飞行器的主承力结构和次承力结构上。

但是，碳纤维增强基复合材料制备的层合板结构目前还存在以下问题：层合板在垂直于纤维方向的层间结合主要依赖树脂的连接并且需要传递层与层之间的载荷，从而导致层间的力学性能较差，主要表现为受到冲击载荷时容易出现内部层间失效的现象，最终导致整个结构的破坏失效。此外，航空复合材料的铺层角度由于受行业准则和制备工艺限制，在确定铺层角度时为了避免制备工作的复杂化和降低生产制备的难度，现有结构的铺排角度较为单一，而单一的铺排角度设置会导致复合材料的强度性能提升达到技术瓶颈。目前，用于复合材料层合板层间性能增强的方法主要包括Z向穿刺技术、基体颗粒增韧、层间聚合物胶膜增韧等技术，虽然以上方法均可以增强复合材料层合板的层间性能，但是这些增韧技术均存在不足之处，例如：Z向穿刺技术制造工艺复杂、成本较高，并且会破坏复合材料的面内性能；基体颗粒增韧存在团聚现象，导致基体粘度过大，并且存在浸润纤维不充分的问题；而聚合物胶膜存在膜的厚度控制困难，引入复合材料层合板会影响整体结构形状和力学性能等问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板及其制备方法，旨在实现复合材料层合板的强度与韧性的协同增强。

本发明的技术方案如下：

一种基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其中，包括：

增韧层，所述增韧层包括纳米纤维膜以及附着在所述纳米纤维膜上的纳米结构；

结构层，所述结构层包括至少三层单向碳纤维层，所述增韧层设置在所述至少三层单向碳纤维层之间，所述至少三层单向碳纤维层的单向碳纤维的铺排角度根据猛禽羽毛的羽轴和羽枝之间的角度设置。

所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其中，所述单向碳纤维层包括树脂基体以及嵌设于所述树脂基体中的单向碳纤维，所述纳米纤维膜与所述纳米结构共同嵌入所述树脂基体。

所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其中，所述单向碳纤维的强度选自T300、T400、T600、T700、T800、T1000中的一种，所述单向碳纤维的丝束选自1K、3K、6K、12K中的一种，所述树脂基体选自环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酯树脂、乙烯基脂树脂中的一种。

所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其中，所述至少三层单向碳纤维层包括前缘层、羽轴层和后缘层，所述羽轴层设置在所述前缘层和所述后缘层之间，所述前缘层与所述羽轴层之间设置有所述增韧层，所述后缘层与所述羽轴层之间设置有所述增韧层。

所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其中，相对于所述羽轴层，所述前缘层的单向碳纤维与所述羽轴层的单向碳纤维之间的顺时针夹角为所述猛禽羽毛的前缘羽枝与羽轴的平均夹角，所述后缘层的单向碳纤维与所述羽轴层的单向碳纤维之间的逆时针夹角为所述猛禽羽毛的后缘羽枝与羽轴的平均夹角。

所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其中，所述纳米纤维膜的材料选自聚丙烯晴、聚碳酸酯和尼龙中的一种。

所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，其中，所述纳米结构选自碳纳米管、氧化锌纳米棒、氧化铜纳米棒、四氧化三铁纳米棒、银纳米棒、金纳米棒、氧化铝纳米粒子、铁酞菁纳米棒中的一种。

一种如上所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板的制备方法，其中，包括：

制备纳米纤维膜，在所述纳米纤维膜上沉积纳米结构，得到增韧层；

获取猛禽羽毛的羽轴和羽枝之间的平均夹角，根据所述平均夹角制备至少三层单向碳纤维层；

将所述增韧层层叠设置在所述至少三层单向碳纤维层之间，再经过成型工艺，得到复合材料层合板。

所述的制备方法，其中，所述纳米纤维膜的制备方法为静电纺丝，所述纳米结构的沉积方法选自化学气相沉积法、水热法、模板法、抽滤法、电泳沉积中的一种。

所述成型工艺包括热压法、手糊成型工艺、湿法铺层成型法、热压罐成型技术、树脂传递模塑成型技术中的一种。

一种如上所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板的应用，其中，所述协同仿生复合材料层合板应用于航空飞行器的需承受复杂气动载荷的结构。

有益效果：本发明在至少三层单向碳纤维层之间设置增韧层，所述增韧层包括纳米纤维膜以及附着在所述纳米纤维膜上的纳米结构，与所述增韧层相邻的两个单向碳纤维层的铺排角度不相同且是根据猛禽羽毛的羽轴和羽枝之间的角度设置，形成了基于羽毛的协同仿生复合材料层合板。本发明模仿猛禽羽毛的结构，根据其羽枝和羽轴的夹角结构设置至少三层单向碳纤维层的单向碳纤维的铺排角度，根据其羽枝和羽小枝的多级钩连结构设置增韧层结构，将猛禽羽毛的协同仿生的理念应用到复合材料层合板的设置中，获得的复合材料层合板兼具高强度、高韧性和轻量化的特点，在航空复合材料领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板的整体结构示意图。

图2为本发明的一组单向碳纤维层与增韧层的铺层结构仿生结构示意图(图中箭头为对应的单向碳纤维层的单向碳纤维的铺层方向)。

图3为本发明的协同仿生复合材料层合板的增韧层的仿生结构示意图。

图4为雕鸮的羽毛的羽轴-羽枝-羽小枝多级结构图。

图5为猛禽羽毛的羽枝-羽轴夹角提取过程示意图。

图6为一组单向碳纤维层的铺层结构与层间角度示意图。

图7为附着氧化锌纳米结构的聚丙烯腈纳米纤维扫描电镜图。

具体实施方式

本发明提供一种基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

自然界中的大型猛禽可以在其承载高质量猎物(例如老鼠、狐狸等)和/或在复杂环境(狂风、暴雨等)下实现稳定飞行，大型猛禽超强的飞行本领得益于其轻质高强的羽毛结构，并且，大型猛禽羽枝-羽轴夹角度普遍小于其他鸟类，更小的角度有利于提供更高的强度和刚度。在大型猛禽滑翔状态下，为了保证整个翅膀结构的流线形态，大型猛禽的羽毛必须具有一定的刚度和强度。初级飞羽前缘处的羽枝-羽轴夹角对维持复杂载荷下羽毛的柔性形态具有重要意义，在扑翼飞翔状态，大型猛禽的羽毛可以不断改变形状和面积以在必要时提供更大的升力。在翅膀下扑的过程，羽毛面积扩大，以捕获空气提供升力，而升力越大，羽毛的整体性就越难保持。为了避免在这种状态下发生羽毛的撕裂破坏，鸟羽进化出了羽轴-羽枝-羽小枝多级结构，通过这种从宏观到微观的跨尺度多级结构钩连，加强羽片之间的结合力。此外，还可以通过多级羽小枝结构的相互滑移和形变，分散集中应力，增加羽片整体韧性。

基于猛禽羽毛的结构特点，请参见图1至图4，本发明提供了一种基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板，包括：增韧层10，所述增韧层10包括纳米纤维膜11以及附着在所述纳米纤维膜11上的纳米结构12；结构层，所述结构层包括至少三层单向碳纤维层20，所述增韧层10设置在所述至少三层单向碳纤维层20之间，所述至少三层单向碳纤维层20的单向碳纤维的铺排角度根据所述猛禽羽毛的羽轴31和羽枝32之间的角度设置。

具体地，请参见图4，猛禽羽毛的多级结构从尺度上分为羽轴31(厘米级大尺度)、羽枝32(毫米级中尺度)和羽小枝33(微米级小尺度)，羽轴31两侧生长羽枝32，而每根羽枝32两侧生长羽小枝33，相邻的羽小枝33之间相互钩连，从而使整个羽片形成一个密实的整体，并可以抵抗极端气动载荷。本发明仿照猛禽羽毛的多级结构，将结构层中的单向碳纤维作为仿羽轴结构，并将纳米纤维膜11中的纳米纤维作为仿羽枝结构，而在纳米纤维膜11上沉积的纳米结构12，也就是纳米纤维上的纳米结构12作为仿羽小枝结构，并将带有仿羽小枝结构的纳米纤维膜11作为增韧层10。

根据猛禽羽毛的羽枝32和羽轴31的夹角设置至少三层单向碳纤维层20的单向碳纤维的铺排角度以提高层合板的主体强度，根据猛禽羽毛的羽枝-羽小枝的多级钩连结构设置增韧层10结构以提高结构层的层间性能，具体为层间断裂韧性。采用纳米纤维膜11以及附着在所述纳米纤维膜11上的纳米结构12构成增韧层10，增韧层10的纳米纤维膜11是由纳米纤维构成，纳米结构12附着在纳米纤维上。增韧层设置在至少三层单向碳纤维之间，根据需要的增韧效果，可在每两层单向碳纤维层之间均设置增韧层，也可以在部分相邻的两层单向碳纤维层之间设置增韧层。至少三层单向碳纤维层20的铺排角度是根据猛禽羽毛的羽轴和羽枝之间的角度设置，由于猛禽羽毛上有多根羽枝，统计羽轴与羽枝的平均角度作为羽轴和羽枝之间的角度，或者分别统计羽轴左右两边的羽枝与羽轴的角度，得到两个平均角度作为羽轴和羽枝之间的角度。举例来说，当统计得到羽轴和羽枝之间的平均角度为35°，则每层的单向碳纤维铺排转角依次为35°、0°、-35°、35°、0°、-35°，或者每层的铺排转角依次为35°、0°、-35°、-35°、0°、35°，或者每层的铺排转角依次为35°、0°、35°、35°、0°、35°；当统计得到羽轴和羽枝之间的平均角度为28°和43°，则每层的单向碳纤维铺排转角依次为28°、0°、-43°、28°、0°、-43°，或者每层的铺排转角依次为28°、0°、-43°、-43°、0°、28°，或者每层的铺排转角依次为28°、0°、43°、28°、0°、43°。

本发明将仿猛禽羽毛的羽枝-羽轴角度的结构层，以及仿羽枝-羽小枝多级钩连结构的增韧层10有机结合，把猛禽羽毛的协同仿生的理念应用到复合材料层合板的设置中，实现了通过宏观增强、微观增韧的协同作用，获得的复合材料层合板兼具高强度、高韧性和轻量化的特点，提升了复合材料层合板的性能，其抗拉性能、层间剪切强度和断裂韧性明显优于传统层合板，较传统航空用复合材料更具优势在航空复合材料领域具有良好的应用前景。本发明可采用的猛禽羽毛包括但不限于雕鸮的羽毛。

在一种实施方式中，所述单向碳纤维层20包括树脂基体201以及嵌设于所述树脂基体201中的单向碳纤维202，所述纳米纤维膜11和所述纳米结构12共同嵌入所述树脂基体201。

具体地，请参见图6，采用树脂基体201浸润单向碳纤维形成单向碳纤维层20，增韧层10设置在单向碳纤维层20之间，增韧层10的纳米纤维膜11与纳米结构12共同嵌入树脂基体201，整个增韧层10被树脂基体201包裹，形成复合材料界面，从而增韧层10与其周围的树脂基体201形成互锁缠绕的结构，使得单向碳纤维层20与增韧层10之间具有较强的界面黏附作用；当层间界面发生破坏时，其增韧层10的仿生多级结构可以通过自身弯曲形变、从基体脱落、钉锚裂纹等作用形式对能量进行传递与吸收，从而单向碳纤维层20内部裂纹发生偏转或终止，起到复合材料增韧的作用。

单向碳纤维层20可以先通过预浸料，也就是树脂基体201浸润单向碳纤维202得到单层单向碳纤维层20，将各单层单向碳纤维层20按照预设方式与增韧层10层叠铺设，也可以先按照预设方式将单向碳纤维202与增韧层10层叠铺设，再采用树脂进行整体浸润形成复合材料层合板。进一步，所述单向碳纤维的强度可以但不限于为T300、T400、T600、T700、T800、T1000中的一种，所述单向碳纤维的丝束可以但不限于为1K、3K、6K、12K中的一种，所述树脂基体201可以但不限于环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酯树脂、乙烯基脂树脂中的一种。

在一种实施方式中，所述至少三层单向碳纤维层20包括前缘层21、羽轴层22和后缘层23，所述羽轴层22设置在所述前缘层21和所述后缘层23之间，所述前缘层21与所述羽轴层22之间设置有所述增韧层10，所述后缘层23与所述羽轴层22之间设置有所述增韧层10。

具体地，将增韧层10分别铺放在由三层单向碳纤维层20组成的一组单向碳纤维层20组中，在前缘层21和羽轴层22之间铺放一层增韧层10，和后缘层23和羽轴层22之间铺放一层增韧层10。根据复合材料层合板整体的厚度设置要求以及单层的单向碳纤维层20的厚度，确定所需的单向碳纤维层20的层数，并按照每三层单向碳纤维层20为一组的方式进行分组，得到多个单向碳纤维层20组，再将所有单向碳纤维层20组层叠设置形成整体层合板。相邻的两组单向碳纤维层20组之间可以再设置一层增韧层10以进一步提高复合材料层合板的韧性，也可以直接连接。

在一种实施方式中，相对于所述羽轴层，所述前缘层21的单向碳纤维与所述羽轴层22的单向碳纤维之间的顺时针夹角为所述猛禽羽毛的前缘羽枝321与羽轴31的平均夹角，所述后缘层23的单向碳纤维与所述羽轴层22的单向碳纤维之间的逆时针夹角为所述猛禽羽毛的后缘羽枝322与羽轴31的平均夹角。

具体地，请参见图5，本发明借鉴了猛禽羽毛的羽枝-羽轴排布角度，鸟类的飞行羽毛具有复杂的结构，只有经过进化才能满足抵抗羽片弯曲和扭转并将空气动力传递到羽轴31的需要，而体积更大质量更重的大型猛禽更是如此，猛禽羽毛进化出具有平行排布的前缘羽枝321和平行排布的后缘羽枝322来增强整个羽片的强度，在猛禽飞行时，前缘羽枝321位于迎风面，前缘羽枝321一般与羽轴31具有较小的夹角，主要承受来自飞行的气动载荷，而后缘则位于背风面，后缘羽枝322与羽轴31的角度较大，进而减少在飞行过程中产生的扭转角度，从而保证叶片的完整性，提供升力。而对于受到复杂气动载荷作用下的航空用复合材料层合板也需要减少在飞行过程中产生的扭转角度。由于鸟类的羽毛使其非常适合飞行。羽枝从前缘和后缘的方向增加了羽毛的扭转刚度，并在与流动的空气相互作用期间减小了扭转角，因此使用具有与羽枝32排布角度相同的单向纤维复合材料在对减小其变形扭曲角有重要意义。

前缘层21的单向碳纤维与羽轴层22的单向碳纤维之间的顺时针夹角仿照猛禽羽毛的羽轴31与前缘羽枝321的角度设置，后缘层23的单向碳纤维与羽轴层22的单向碳纤维之间的逆时针夹角仿照猛禽羽毛的羽轴31与后缘羽枝322的角度设置。举例来说，请参见图5和图6，通过显微表征和统计分析的方法，获取猛禽羽毛的前缘羽枝321与羽轴31的夹角α

在一种实施方式中，所述纳米纤维膜11的材料选自聚丙烯晴、聚碳酸酯和尼龙等热塑性聚合物中的一种。这些作为纳米纤维膜11的材料可使得复合材料层合板在应用期间，其增韧层10不与结合层的树脂基体201相容，且可以保持原有的纳米纤维状态，为其提供复合材料的层间性能提供了结构基础。

在一种实施方式中，所述纳米结构12选自碳纳米管、氧化锌纳米棒、氧化铜纳米棒、四氧化三铁纳米棒、银纳米棒、金纳米棒、氧化铝纳米粒子、铁酞菁纳米棒等纳米结构中的一种或多种。

本发明还提供一种基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板的制备方法，包括：

S10、制备纳米纤维膜11，在所述纳米纤维膜11上沉积纳米结构12，得到增韧层10；

S20、获取猛禽羽毛的羽轴31和羽枝之间的平均夹角，根据所述平均夹角制备至少三层单向碳纤维层20，

S30、将所述增韧层10层叠设置在所述至少三层单向碳纤维层20之间，再经过成型工艺，得到复合材料层合板。

具体地，对于增韧层10的制备，可采用静电纺丝的方法，以包括但不限于聚丙烯晴、聚碳酸酯、尼龙等热塑性高分子材料中的一种作为电纺溶液的溶质制备纳米纤维膜11，以纳米纤维膜11为基底，在纳米纤维膜11上沉积纳米结构12，纳米结构12的沉积方法可根据需要沉积的纳米结构12类型确定，纳米结构12的沉积方法包括但不限于化学气相沉积法、水热法、模板法、抽滤法、电泳沉积等。举例来说：采用碳纳米管作为纳米结构12，可采用化学气相沉积法在纳米纤维膜11上沉积碳纳米管；采用金属纳米棒或金属氧化物纳米棒作为纳米结构12，可采用水热法将纳米纤维膜11依次分别浸泡在着种液和生长液中一定时间，并进行加压加热处理，在薄膜上生成纳米结构12，在采用水热法时，也在制备纳米纤维膜11的过程中将电纺溶液与含金属粒子或金属氧化物粒子的材料共混，再经过静电纺丝方法制得带有纳米结构种子的纳米纤维膜11，再将带有纳米结构种子的纳米纤维膜11浸泡入生长液中，进行加压加热处理，在纳米纤维膜11上生成纳米材料。在一种具体的实施方式中，通过静电方式的方法制备聚丙烯晴纤维薄膜，并采用水热法在聚丙烯晴纤维薄膜上沉积氧化锌纳米棒，得到增韧层，采用扫描电镜对增韧层进行表征如图7所示，从图中可以看出，氧化锌纳米棒附着在聚丙烯晴纤维上。

对于结构层的制备，提取大型猛禽力学性能优异部位的羽毛，通过显微表征和统计分析的方法，获取猛禽羽毛的前缘羽枝321和羽轴31的平均夹角以及后缘羽枝322和羽轴31的平均夹角，根据需要制备的整体复合材料层合板的厚度以及单层单向碳纤维层20的厚度，确定一共需要制备的单向碳纤维层20的层数，每3层单向碳纤维层20为一组，每组的3层单向碳纤维层20分别是前缘层21、羽轴层22、后缘层23，根据羽枝32和羽轴31的平均夹角铺排前缘层21、羽轴层22、后缘层23的单向碳纤维的角度，其铺排角度设置在前述中已说明，在此不再赘述。将呈角度排布的单向碳纤维层20之间层叠夹放预先制好的增韧层10后，按照重复原则铺放每组单向碳纤维层20，使整体厚度形成设置好的厚度。举例来说，需要制备的复合材料层合板由3组共9层单向碳纤维层20组成，每一组单向碳纤维层20依次为前缘层21、羽轴层22、后缘层23，每一组中含有2层增韧层10将3层单向碳纤维层20分开，每组之间依靠单向碳纤维层20的树脂基体201相互结合，当然，每组之间也可以再设置一层增韧层10以进一步提高层合板的韧性。需要说明的是，在分组过程中会出现最后一组不足三层单向碳纤维层20的情况，当剩余两层单向碳纤维层20时，该两层单向碳纤维层20之间设置一层增韧层10，该两层单向碳纤维层20可分别为前缘层21和羽轴层22，或者分别为后缘层23和羽轴层22；当剩余一层单向碳纤维层20时，该层单向碳纤维层20可为前缘层21、羽轴层22、或后缘层23。将各层层叠设置好后，再经过热压、真空辅助成型等成型方式制成强度与韧性协同增强的仿生复合材料层合板。

进一步，所述成型工艺包括热压法、手糊成型工艺、湿法铺层成型法、热压罐成型技术、树脂传递模塑成型技术等中的一种。一种如上所述的基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板的应用，其中，所述协同仿生复合材料层合板应用于航空飞行器的需承受复杂气动载荷的结构，例如机翼等承力结构，或者风扇叶片。

综上所述，本发明提供了一种基于猛禽羽毛的协同仿生复合材料层合板及其制备方法，在至少三层单向碳纤维层之间设置增韧层，所述增韧层包括纳米纤维膜以及附着在所述纳米纤维膜上的纳米结构，与所述增韧层相邻的两个单向碳纤维层的铺排角度不相同且是根据猛禽羽毛的羽轴和羽枝之间的角度设置，形成了基于羽毛的协同仿生复合材料层合板。本发明模仿猛禽羽毛的结构，根据其羽枝和羽轴的夹角结构设置至少三层单向碳纤维层的单向碳纤维的铺排角度，根据其羽枝和羽小枝的多级钩连结构设置增韧层结构，将猛禽羽毛的协同仿生的理念应用到复合材料层合板的设置中，获得的复合材料层合板兼具高强度、高韧性和轻量化的特点，在航空复合材料领域具有良好的应用前景。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。