本發(fā)明涉及一種仿螳螂蝦附足結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)抗沖擊復(fù)合材料及其設(shè)計(jì)方法，該復(fù)合材料具有良好的防刺、防爆、抗沖擊性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了材料的輕質(zhì)化，可應(yīng)用于輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)器材、軍事、人體防護(hù)等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
：

螳螂蝦用前螯擊碎獵物的外殼，力度高達(dá)500牛頓，足以擊碎獵物的外殼。同時(shí)，螳螂蝦的附足自身也具有極高的抗沖擊能力，才能經(jīng)受如此毀滅性的沖擊動(dòng)作。本發(fā)明就是受螳螂蝦的附足螺旋纖維結(jié)構(gòu)啟示，研究出一種高耐沖擊性的輕質(zhì)仿生復(fù)合材料板。

剪切增稠液體(Shear thickening fluid，即STF)，隨著表面應(yīng)力的增加會(huì)表現(xiàn)出較高的表觀粘度，在受到猛力沖撞時(shí)，剪切增稠液粘度陡增，甚至表現(xiàn)得如固體一般，可以很好地增大受力面積，耗散沖擊能量。同時(shí)，這種性狀又是可逆的，即當(dāng)所受應(yīng)力消除時(shí)，剪切增稠液又會(huì)恢復(fù)到柔軟的液態(tài)狀態(tài)。因而在防刺、防爆、抗沖擊方面具有很好的應(yīng)用前景。

目前對(duì)于抗沖擊復(fù)合材料的研究，已取得較為廣泛的關(guān)注。同時(shí)，輕質(zhì)仿生材料領(lǐng)域也得到很大的發(fā)展，將兩者有機(jī)結(jié)合，正是目前研究的前景和方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明提供一種仿螳螂蝦附足結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)抗沖擊復(fù)合材料及其設(shè)計(jì)方法，通過(guò)采用碳纖維預(yù)浸料布螺旋排列，并結(jié)合剪切增稠液，在使材料具有良好的抗沖擊能力的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了材料的輕質(zhì)化。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種仿螳螂蝦附足結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)抗沖擊復(fù)合材料，包括上碳纖維仿生板、第一隔離層、剪切增稠液層、第二隔離層和下碳纖維仿生板，所述剪切增稠液層位于上碳纖維仿生板和下碳纖維仿生板之間，所述第一隔離層位于上碳纖維仿生板和剪切增稠液層之間，第二隔離層位于剪切增稠液層和下碳纖維仿生板之間，所述上碳纖維仿生板和下碳纖維仿生板采用環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維預(yù)浸料布為原材料，層層鋪疊，螺旋而成，每層環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維預(yù)浸料布的纖維軸向總相對(duì)于上一層纖維軸向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α，8°<α<10°。

進(jìn)一步地，所述第一隔離層和第二隔離層采用輕質(zhì)防滲漏材料制作。

進(jìn)一步地，所述上碳纖維仿生板和下碳纖維仿生板為平面或者曲面。

進(jìn)一步地，所述剪切增稠液層采用二氧化硅粒子為分散相粒子，聚乙二醇為分散介質(zhì)。

本發(fā)明還采用如下技術(shù)方案：一種仿螳螂蝦附足結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)抗沖擊復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

一：采用環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維預(yù)浸料布為原材料，形成上碳纖維仿生板和下碳纖維仿生板，在鋪設(shè)時(shí)，上碳纖維仿生板和下碳纖維仿生板采用環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維預(yù)浸料布為原材料，層層鋪疊，螺旋而成，每層環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維預(yù)浸料布的纖維軸向總相對(duì)于上一層纖維軸向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α，8°<α<10°；

二：采用輕質(zhì)防滲漏材料制作第一隔離層和第二隔離層；

三：采用二氧化硅粒子為分散相粒子，聚乙二醇為分散介質(zhì)制成剪切增稠液層；

四：將剪切增稠液層位于上碳纖維仿生板和下碳纖維仿生板之間，將第一隔離層位于上碳纖維仿生板和剪切增稠液層之間，第二隔離層位于剪切增稠液層和下碳纖維仿生板之間，形成仿螳螂蝦附足結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)抗沖擊復(fù)合材料。

本發(fā)明具有如下有益效果：本發(fā)明是對(duì)螳螂蝦附足結(jié)構(gòu)仿生，同時(shí)與剪切增稠液相結(jié)合，相比于傳統(tǒng)材料在抗沖擊能力上有了較大的提升，同時(shí)滿足了材料設(shè)計(jì)的輕質(zhì)要求。

附圖說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明仿螳螂蝦附足結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)抗沖擊復(fù)合材料的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為上碳纖維仿生板和下碳纖維仿生板螺旋堆疊示意圖。

圖中：1、上碳纖維仿生板，2、第一隔離層，3、剪切增稠液層，4、第二隔離層，5、下碳纖維仿生板。

具體實(shí)施方式：

請(qǐng)參照?qǐng)D1和圖2所示，本發(fā)明仿螳螂蝦附足結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)抗沖擊復(fù)合材料包括上碳纖維仿生板1、第一隔離層2、剪切增稠液層3、第二隔離層4和下碳纖維仿生板5，剪切增稠液層3位于上碳纖維仿生板1和下碳纖維仿生板5之間，第一隔離層2位于上碳纖維仿生板1和剪切增稠液層3之間，第二隔離層4位于剪切增稠液層3和下碳纖維仿生板5之間。其中上碳纖維仿生板1和下碳纖維仿生板5采用環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維預(yù)浸料布為原材料，層層鋪疊，螺旋而成，每層環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維預(yù)浸料布的纖維軸向總相對(duì)于上一層纖維軸向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α，其中α為某一固定角度，8°<α<10°，α由實(shí)際觀察螳螂蝦附足切片中纖維層的螺旋角度而來(lái)。第一隔離層2和第二隔離層4采用輕質(zhì)防滲漏材料制作，邊緣密封，將上碳纖維仿生板1和剪切增稠液層3、下碳纖維仿生板5和剪切增稠液層3隔離開(kāi)，同時(shí)防止剪切增稠液滲漏。

上碳纖維仿生板1和下碳纖維仿生板5為平面。進(jìn)一步地，上碳纖維仿生板1和下碳纖維仿生板5也可以設(shè)計(jì)為曲面，設(shè)計(jì)為曲面能夠有效的避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)一步提升材料的抗沖擊性。

剪切增稠液層3采用二氧化硅粒子為分散相粒子，聚乙二醇PEG為分散介質(zhì)。在受到?jīng)_擊的瞬間，剪切增稠液層3會(huì)產(chǎn)生剪切增稠現(xiàn)象，有效消散沖擊的能量，具有較強(qiáng)的抗沖擊能力，從而進(jìn)一步提升了本發(fā)明材料的抗沖擊性能。

本發(fā)明仿螳螂蝦附足結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)抗沖擊復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

一：采用環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維預(yù)浸料布為原材料，形成上碳纖維仿生板1和下碳纖維仿生板5，在鋪設(shè)時(shí)，上碳纖維仿生板1和下碳纖維仿生板5采用環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維預(yù)浸料布為原材料，層層鋪疊，螺旋而成，每層環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維預(yù)浸料布的纖維軸向總相對(duì)于上一層纖維軸向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α，其中α為某一固定角度，8°<α<10°，α由實(shí)際觀察螳螂蝦附足切片中纖維層的螺旋角度而來(lái)；

二：采用輕質(zhì)防滲漏材料制作第一隔離層2和第二隔離層4；

三：采用二氧化硅粒子為分散相粒子，聚乙二醇PEG為分散介質(zhì)制成剪切增稠液層3；

四：將剪切增稠液層3位于上碳纖維仿生板1和下碳纖維仿生板5之間，將第一隔離層2位于上碳纖維仿生板1和剪切增稠液層3之間，第二隔離層4位于剪切增稠液層3和下碳纖維仿生板5之間，形成本發(fā)明仿螳螂蝦附足結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)抗沖擊復(fù)合材料。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。