一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板及其制备方法

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1.本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板及其制备方法。

背景技术：

2.近年来，中国的轨道客车不断更新换代，轨道客车的客室内装结构中的地板、侧墙板、内顶板、间壁板、内外车门的门板等关键零部件对性能提升的要求日益增加，对客室内装结构关键零部件的结构设计提出了新的要求。
3.传统夹芯板材结构是由上下两层高强度、高模量的薄面板和中间较厚的轻质芯材组成的结构材料，轻质芯子的作用是尽可能降低结构的重量，增加两面板的截面惯性矩从而提高结构的抗弯曲刚度。面板粘接在芯子上，从而实现载荷在芯子和面板之间的传递。轻质芯子主要承受面外剪切载荷，而面板主要承受面内载荷和弯曲载荷。夹芯板材结构与普通单一材料相比具有比强度高，比刚度大等特点，但本身也存在着一些不可避免的缺陷，其中重要的一个是板材在承受低速冲击时，面板与芯子之间无法完好地焊接在一起，造成面板与芯子的焊点处出现焊点脱开的情况，从而使得结构的力学性能大幅下降。所以寻一种即可以使板材具有高比强度、比刚度，同时满足抗低速冲击性能的方法迫在眉睫。
4.即现有技术中传统夹芯板材结构，受力时界面处会因为异质材料的属性突变出现应力集中的现象，此处的大应力会使材料率先发生裂纹而使整体结构提前失效，从而造成现有传统夹芯板材结构存在的受低速冲击时，面板与芯子界面脱黏断裂破坏的问题。
5.因此，现有技术还有待改进和发展。

技术实现要素：

6.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板及其制备方法，旨在解决现有传统夹芯板材结构存在的受低速冲击时，面板与芯子界面脱黏断裂破坏的问题。
7.本发明的技术方案如下：
8.一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其中，所述仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的整体结构包括：
9.由横向加强筋与纵向加强筋组成的多孔结构芯层；
10.上面板、所述上面板设置在所述多孔结构芯层上表面；
11.下面板，所述下面板设置在所述多孔结构芯层下表面；
12.所述多孔结构芯层采用仿刺猬硬薄壳-柔性多孔芯层结构；所述上面板和所述下面板采用仿刺猬刺外壳纤维铺排方式的复合材料板，且所述上面板和所述下面板采用纤维铺层设置；
13.所述仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的整体结构通过3d打印一体成型制备，形成一种仿生多孔结构复合材料夹芯板材。
14.所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其中，所述多孔结构芯层采用短纤环氧树脂材料芯层，所述上面板和所述下面板采用变模量、变密度的混杂纤维环氧树脂材料板。
15.所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其中，所述多孔结构芯层的横向加强筋厚度、横向加强筋间距与上下面板厚度的比值为1：7.54：5.8。
16.所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其中，所述多孔结构芯层由纤维混杂复合材料3d打印成型，所述多孔结构芯层的比模量为0.29*105mpa。
17.所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其中，所述上面板和所述下面板由外到内分为第一层、第二层、第三层，为仿刺猬刺外壳铺排纤维模型。
18.所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其中，所述第一层、第二层、第三层各由多层变角度纤维层组成，变角度纤维层中的单一纤维层含有多根纤维，多根纤维同向平行直铺，单一纤维层间通过树脂固化而形成连接。
19.所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其中，所述第一层由比模量为(2.0-2.34)*105mpa的高模量碳纤维0
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交错铺排，所述第二层由比模量为0.58*105mpa的k-49ⅳ芳纶纤维0
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交错铺排，所述第三层由比模量为0.29*105mpa的e玻璃纤维0
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交错铺排，且由外到内的第一层、第二层、第三层的纤维排布密度呈递减的趋势。
20.所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其中，所述上面板、所述多孔结构芯层与下面板的厚度比为1：16：1。
21.一种实现任一项所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的制备方法，其中，包括步骤：
22.a：在纤维3d打印机上预先输入仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板三维模型，并对所述上面板、所述芯层以及所述下面板材料进行预设置；
23.b：准备制备所述下面板，通过纤维3d打印机逐层打印：先更换3d打印机的打印材料为树脂基碳纤维以打印所述下面板的第一层s1，然后更换3d打印机的打印材料为树脂基芳纶纤维以打印所述下面板的第二层s2，然后再更换3d打印机的打印材料为树脂基e玻璃纤维以打印所述下面板的第三层s3，以制备新型变模量、变密度的仿刺猬刺外壳纤维铺排方式的复合材料板，形成所述上面板的制备；
24.c：更换3d打印机的打印材料为环氧树脂混杂短纤材料，换用短纤环氧树脂材料，通过纤维3d打印机制备所述多孔结构芯层；
25.d：准备制备所述上面板，通过纤维3d打印机逐层打印，先更换3d打印机的打印材料为树脂基碳纤维以打印所述上面板的第一层s1，然后更换3d打印机的打印材料为树脂基芳纶纤维以打印所述上面板的第二层s2，然后再更换3d打印机的打印材料为树脂基e玻璃纤维以打印所述上面板的第三层s3，以在制备好的所述多孔结构芯层上，制备新型变模量、变密度的仿刺猬刺外壳纤维铺排方式的复合材料板，以制备所述上面板。
26.所述的制备方法，其中，所述上面板和所述下面板制备由外到内分为第一层、第二层、第三层，为仿刺猬刺外壳铺排纤维模型，第一层、第二层、第三层的密度由打印的纤维含量控制，由外到内纤维含量逐渐减少；所述上面板、下面板与中间夹心的多孔结构芯层通过3d打印一体成型制备。
27.有益效果：本发明提供的一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板及其制备方法，提供了混杂纤维铺层面板与横纵加强筋多孔芯层的设计与一体打印成型技术，通过仿生多孔结构与独特的混杂纤维束铺排方式，使得夹芯纤维复合材料板材结构具有比强度高，比刚度大性能的同时，在承受低速冲击时，可以避免面板与芯子界面因应力集中而脱粘断裂破坏，这种新型结构复合材料可满足中国轨道客车的客室内装结构中的地板、侧墙板、内顶板、间壁板、内外车门的门板等关键零部件更高的需求：具轻质高强、高断裂韧性、抗低速冲击于一体的优异力学性能。
附图说明
28.图1为本发明实施例的一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的结构示意图。
29.图2为刺猬外部刺猬刺形态示意图。
30.图3为刺猬刺中心纵截面sem示意图。
31.图4为刺猬刺偏于中心的纵截面sem示意图。
32.图5为刺猬刺横纵截面sem图像示意图。
33.图6为刺猬刺外壳sem图像示意图。
34.图7为刺猬刺外壳进一步放大sem图像示意图。
35.图8为刺猬刺外壳从外到内纳米压痕测得弹性模量变化示意图。
36.图9为本发明实施例的一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的仿刺猬刺结构与对比结构三维模型示意图。
37.图10为对比结构模型低速冲击模拟应力等值线与等值面示意图。
38.图11为为发明实施例的一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的仿刺猬刺结构模型低速冲击模拟应力等值线与等值面示意图。
39.图12为对比结构模型与仿刺猬刺结构模型低速冲击模拟比应力对比示意图。
40.图13为对比结构模型与仿刺猬刺结构模型低速冲击模拟比形变对比示意图。
41.图14为本发明实施例的一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的仿刺猬刺复合材料板结构模型正视示意图。
42.图15为本发明实施例的一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的仿刺猬刺复合材料板结构模型侧视示意图。
43.图16为本发明实施例的一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的仿刺猬刺外壳铺排纤维模型示意图。
具体实施方式
44.本发明提供一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板及其制备方法，本发明属于夹芯复合材料板材抗低速冲击技术领域，具体涉及一种基于多孔结构能量分散效应的仿生抗冲击保护结构及其制备方法，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。
45.除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领
域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
46.仿生学的出现，为本发明打开了思路。生物数十亿年的进化形成了复杂而杰出的结构与性能：生物材料虽然在温和的条件下(水、室温)组装，限制了生物成分，但是其性能却不像预期的那么脆弱：贻贝、和鹿角的性能远远超过单独由其组成成分构成的人造材料的性能。所以全面分析生物的结构、形成条件、失效机理和力学性能对发展和制造仿生结构工程材料影响深远。刺猬在躲避天敌与捕食时，经常受到外力而低空抛落或蜷曲滚动，但身体外部起到冲击保护作用、夹芯多孔结构的刺猬刺完好无损，使内部身体不受到损伤。所以可以把刺猬刺作为低速抗冲击模型，设计并制备了一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板板材以解决夹芯板材承受低速冲击时，面板与芯子界面因应力集中而脱黏断裂破坏的难题。
47.本发明要重点解决传统夹芯板材结构存在的受低速冲击时，面板与芯子界面脱黏断裂破坏的难题，而出现此问题的根本原因是：受力时界面处会因为异质材料的属性突变出现应力集中的现象，此处的大应力会使材料率先发生裂纹而使整体结构提前失效。所以，解决此问题的关键在于缓解整体结构的局部应力集中现象。
48.如图1所示，本发明实施例提供的一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，本发明实施例所述复合材料是一种仿刺猬刺硬薄壳-柔性多孔夹芯复合材料，如图1所示，所述仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的整体结构包括：
49.由横向加强筋1与纵向加强筋3组成的多孔结构芯层；
50.上面板4、所述上面板4设置在所述多孔结构芯层上表面；
51.下面板2，所述下面板2设置在所述多孔结构芯层下表面；
52.所述多孔结构芯层采用短纤环氧树脂材料芯层，所述上面板4和所述下面板2采用变模量、变密度的混杂纤维环氧树脂材料，且所述上面板4和所述下面板2采用纤维铺层设置；
53.所述仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的整体结构通过3d打印一体成型制备，形成一种仿生多孔结构复合材料夹芯板材。本发明与传统的夹芯板材结构相比，其比刚度、比强度进一步提升，缓解了因异质材料的属性突变而引发的局部应力集中，解决了上下面板与芯层界面因应力集中而脱黏断裂，提前破坏失效的难题。
54.本发明实施例中，通过对刺猬刺的宏观结构表征，发现刺猬刺是硬薄壳-柔性多孔芯层结构，基于此思路，设置本发明的夹芯层即多孔结构芯层。如图3所示，刺猬刺芯层由纵、横向加强筋组成多孔结构，薄壁壳径向厚度t、纵向加强筋径向长度r1、横向加强筋中心合并区的长度r2呈有规律的1：4：8，此生物结构设计使整体具有的高比强度与高比刚度，所以通过仿刺猬刺宏观结构，设置所述多孔结构芯层采用仿刺猬硬薄壳-柔性多孔芯层结构；所述多孔结构芯层由横向加强筋与纵向加强筋组成夹心层，所述上面板、所述多孔结构芯层与下面板的厚度比为1：16：1；对刺猬的刺的内部结构进行测量统计，得出本发明所制备的所述多孔结构芯层的横向加强筋厚度、横向加强筋间距与上下面板厚度的比值为1：7.54：5.8，所述多孔结构芯层由纤维混杂复合材料3d打印成型，其比模量要与e玻璃纤维相近，约为0.29*105mpa。
55.本发明实施例中，如图6和图7所示，图6为刺猬刺外壳电镜图，图7为刺猬刺外壳进
一步放大电镜图，通过对刺猬刺的外部壳微纳结构的表征发现其由坚硬而密集的、呈0
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交错排列的纤维层组成，纤维层排布从外到内越来越松散，纤维层模量逐渐减小，据此生物的微观纤维排布方式，本发明制备了一种新型变模量、变密度的混杂纤维铺层，并将其进一步制备成所述上面板、所述下面板。如图16所示，所述上面板和所述下面板由外到内分均包括第一层s1、第二层s2、第三层s3，所述第一层s1由比模量为(2.0-2.34)*105mpa的高模量碳纤维0
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交错铺排，所述第二层s2由比模量为0.58*105mpa的k-49ⅳ芳纶纤维0
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交错铺排，所述第三层s3由比模量为0.29*105mpa的e玻璃纤维0
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交错铺排，且由外到内的第一层s1、第二层s2、第三层s3的纤维排布密度呈递减的趋势，所述上面板、下面板与中间夹心的多孔结构芯层通过3d打印一体成型制备。
56.由上可见，本发明通过对仿刺猬刺结构模型、对比结构模型的低速冲击模拟结果进行分析，可证明刺猬刺内部纵、横向加强筋的存在可以缓解、分散局部内应力，通过对仿刺猬刺内部结构+外壳纤维铺排结构模型与单仿刺猬刺内部结构模型的低速冲击模拟结果进行分析，外壳纤维铺排结构可以进一步提升局部应力分散效果，提升抗冲击性能，所以本发明由混杂纤维铺层制备而成的所述上面板、所述下面板与横纵加强筋多孔结构芯层的设置与一体打印成型也具有在低速冲击载荷下的缓解散局部应力集中效果。
57.进一步地实施例，刺猬刺是生物分类中，多孔结构中的一种，其整体完全由纤维层铺排组成。如图6为刺猬刺外壳从外到内纳米压痕测得弹性模量变化图，图7为仿刺猬刺结构与对比结构三维模型图，如图6、7所示，刺猬刺外壳由坚硬而密集的交错排列的纤维层组成，纤维层排布从外到内越来越松散，纤维直径递增。如图8，对其外壳进行纳米压痕实验测得外壳从外到内，弹性模量成递减的趋势。这种纤维铺排方式可使刺猬刺外壳具有高比强度，在发生微裂纹后，变化的纤维铺排方向使裂纹发生偏转，裂纹扩张处产生侨联，增大断裂韧性，综上，其外壳纤维铺排方式可使整体结构受力时吸收更多的能量，所以，本发明所设置的所述上面板和所述下面板都为仿刺猬刺外壳纤维铺排方式的复合材料板，以提升整体结构的比强度与断裂韧性。
58.如图16，为仿刺猬刺外壳的所述上面板和所述下面板的纤维铺排模型图，由外到内，纤维密度逐渐减小，纤维直径逐渐增大，此生物特征通过纤维混杂理论实现，即从外到内，使用不同直径，不同弹性模量的纤维进行密度渐变铺层，以实现仿刺猬刺微观纤维结构的铺层设计、生物优异性能的复制，制备一种兼具高比强度、断裂韧性的纤维复合材料面板。
59.在一种实施方式中，如图3和图5所示，刺猬刺芯层有多孔结构的支架—内部纵、横向加强筋，横向加强筋横跨整个横截面，每三个在中心合并，纵向加强筋横跨整个纵向，由外壳延伸至横向加强筋汇聚处，因此，若观察偏于中心的纵截面时，断面呈较均匀的格栅结构，如图4所示。为验证刺猬刺内部加强筋的对抗冲击的影响，本发明分别设置仿刺猬刺结构与对比结构三维模型，如图9为本发明仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板与对比结构三维模型图，并利用ansys对其进行低速冲击模拟，如图10、11，可看出两个模型的应力等值线与等值面集中分布在尖端，说明尖端都存在应力集中现象，但对比结构尖端的等值线与等值面更为密集，说明仿刺猬刺结构应力分散效果强于对比结构。
60.进一步，对两个的应力结果进行分析，如图12所示，图12对比结构模型与仿刺猬刺结构模型低速冲击模拟比应力对比图，可看出无结构模型比应力最大值一直高于仿刺猬刺
结构模型，说明仿生结构能更好的缓解局部内应力。本发明所设置的比形变的定义为实际形变量与质量之比，如图13所示，图13为对比结构模型与仿刺猬刺结构模型低速冲击模拟比形变对比图，从两个模型的应变结果可看出，对比结构模型的比形变一直高于仿生结构模型，说明在同等冲击载荷下，仿生结构可更好的抵抗冲击的影响。综上，可证明刺猬刺内部纵、横向加强筋的存在使其可以缓解、分散局部内应力，提升抗冲击性能。
61.在一种实施方式中，如图16所示，本发明实施例的所述上面板和所述下面板均由第一层s1、第二层s2、第三层s3组成，为仿刺猬刺外壳铺排纤维模型，所述第一层s1、第二层s2、第三层s3每层又由多层变角度纤维层组成，变角度纤维层中的单一纤维层含有多根纤维，多根纤维同向平行直铺，单一纤维层间通过树脂固化而形成连接，第一层s1、第二层s2、第三层s3的密度由打印的纤维含量控制，由外到内纤维含量逐渐减少，从而实现生物到工程材料的仿生应用与性能复制。
62.进一步地，所述第一层s1由比模量为(2.0-2.34)*105mpa的高模量碳纤维0
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交错铺排；所述第二层s2由比模量为0.58*105mpa的k-49ⅳ芳纶纤维0
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交错铺排；所述第三层s3由比模量为0.29*105mpa的e玻璃纤维0
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交错铺排，且由外到内的第一层s1、第二层s2、第三层s3的纤维排布密度呈递减的趋势，所述上面板、下面板与所述多孔结构芯层夹心层通过3d打印一体成型制备。
63.基于上述实施例，本发明实施例还提供了一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的制备方法，本发明的制备方法是通过纤维3d打印一体成型工艺将所述上面板、所述下面板以及所述多孔结构芯层一体成型制备；所述制备方法具体包括以下步骤：
64.第一步：在纤维3d打印机上预先输入仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板三维模型，并对所述上面板、所述芯层以及所述下面板材料进行预设置；
65.第二步：准备制备所述下面板，通过纤维3d打印机逐层打印：先更换3d打印机的打印材料为树脂基碳纤维以打印所述下面板的第一层s1，然后更换3d打印机的打印材料为树脂基芳纶纤维以打印所述下面板的第二层s2，然后再更换3d打印机的打印材料为树脂基e玻璃纤维以打印所述下面板的第三层s3，以制备新型变模量、变密度的仿刺猬刺外壳纤维铺排方式的复合材料板，形成所述上面板的制备；
66.第三步：更换3d打印机的打印材料为环氧树脂混杂短纤材料，换用短纤环氧树脂材料，通过纤维3d打印机制备所述多孔结构芯层；
67.第四步：准备制备所述上面板，通过纤维3d打印机逐层打印，先更换3d打印机的打印材料为树脂基碳纤维以打印所述上面板的第一层s1，然后更换3d打印机的打印材料为树脂基芳纶纤维以打印所述上面板的第二层s2，然后再更换3d打印机的打印材料为树脂基e玻璃纤维以打印所述上面板的第三层s3，以在制备好的所述多孔结构芯层上，制备新型变模量、变密度的仿刺猬刺外壳纤维铺排方式的复合材料板，以制备所述上面板。
68.即本发明：通过3d打印制备整个仿生模型，打印的时候从下面板开始往上打印，下面板打印完，更换材料在下面板上打印多孔结构芯层，然后再次更换材料，打印上面板。所述上面板、下面板与中间夹心的多孔结构芯层通过3d打印一体成型制备。
69.综上所述，本发明提供一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板及其制备方法，本发明提供的一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板及其制备方法，提供了混杂纤维铺层面板与横纵加强筋多孔芯层的设计与一体打印成型技术，通过仿生多孔结构与
独特的混杂纤维束铺排方式，使得夹芯纤维复合材料板材结构具有比强度高，比刚度大性能的同时，在承受低速冲击时，可以避免面板与芯子界面因应力集中而脱粘断裂破坏，这种新型结构复合材料可满足中国轨道客车的客室内装结构中的地板、侧墙板、内顶板、间壁板、内外车门的门板等关键零部件更高的需求：具轻质高强、高断裂韧性、抗低速冲击于一体的优异力学性能。
70.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。

技术特征：

1.一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其特征在于，所述仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的整体结构包括：由横向加强筋与纵向加强筋组成的多孔结构芯层；上面板、所述上面板设置在所述多孔结构芯层上表面；下面板，所述下面板设置在所述多孔结构芯层下表面；所述多孔结构芯层采用仿刺猬硬薄壳-柔性多孔芯层结构；所述上面板和所述下面板采用仿刺猬刺外壳纤维铺排方式的复合材料板，且所述上面板和所述下面板采用纤维铺层设置；所述仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的整体结构通过3d打印一体成型制备，形成一种仿生多孔结构复合材料夹芯板材。2.根据权利要求1所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其特征在于，所述多孔结构芯层采用短纤环氧树脂材料芯层，所述上面板和所述下面板采用变模量、变密度的混杂纤维环氧树脂材料板。3.根据权利要求1所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其特征在于，所述多孔结构芯层的横向加强筋厚度、横向加强筋间距与上下面板厚度的比值为1：7.54：5.8。4.根据权利要求1所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其特征在于，所述多孔结构芯层由纤维混杂复合材料3d打印成型，所述多孔结构芯层的比模量为0.29*105mpa。5.根据权利要求1所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其特征在于，所述上面板和所述下面板由外到内分为第一层、第二层、第三层，为仿刺猬刺外壳铺排纤维模型。6.根据权利要求5所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其特征在于，所述第一层、第二层、第三层各由多层变角度纤维层组成，变角度纤维层中的单一纤维层含有多根纤维，多根纤维同向平行直铺，单一纤维层间通过树脂固化而形成连接。7.根据权利要求5所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其特征在于，所述第一层由比模量为(2.0-2.34)*105mpa的高模量碳纤维0
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交错铺排，所述第二层由比模量为0.58*105mpa的k-49ⅳ芳纶纤维0
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交错铺排，所述第三层由比模量为0.29*105mpa的e玻璃纤维0
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交错铺排，且由外到内的第一层、第二层、第三层的纤维排布密度呈递减的趋势。8.根据权利要求1所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，其特征在于，所述上面板、所述多孔结构芯层与下面板的厚度比为1：16：1。9.一种如权利要求1-7任一项所述的仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板的制备方法，其特征在于，包括步骤：a：在纤维3d打印机上预先输入仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板三维模型，并对所述上面板、所述芯层以及所述下面板材料进行预设置；b：准备制备所述下面板，通过纤维3d打印机逐层打印：先更换3d打印机的打印材料为树脂基碳纤维以打印所述下面板的第一层s1，然后更换3d打印机的打印材料为树脂基芳纶纤维以打印所述下面板的第二层s2，然后再更换3d打印机的打印材料为树脂基e玻璃纤维以打印所述下面板的第三层s3，以制备新型变模量、变密度的仿刺猬刺外壳纤维铺排方式
的复合材料板，形成所述上面板的制备；c：更换3d打印机的打印材料为环氧树脂混杂短纤材料，换用短纤环氧树脂材料，通过纤维3d打印机制备所述多孔结构芯层；d：准备制备所述上面板，通过纤维3d打印机逐层打印，先更换3d打印机的打印材料为树脂基碳纤维以打印所述上面板的第一层s1，然后更换3d打印机的打印材料为树脂基芳纶纤维以打印所述上面板的第二层s2，然后再更换3d打印机的打印材料为树脂基e玻璃纤维以打印所述上面板的第三层s3，以在制备好的所述多孔结构芯层上，制备新型变模量、变密度的仿刺猬刺外壳纤维铺排方式的复合材料板，以制备所述上面板。10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述上面板和所述下面板制备由外到内分为第一层、第二层、第三层，为仿刺猬刺外壳铺排纤维模型，第一层、第二层、第三层的密度由打印的纤维含量控制，由外到内纤维含量逐渐减少；所述上面板、下面板与中间夹心的多孔结构芯层通过3d打印一体成型制备。

技术总结

本发明公开一种仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板及其制备方法，仿刺猬刺微结构轻量化抗冲击复合材料板，包括：由横向加强筋与纵向加强筋组成的多孔结构芯层和上下面板结构，多孔结构芯层采用短纤环氧树脂材料，上下面板采用变模量、变密度的混杂纤维环氧树脂材料，且上下面板采用纤维铺层设计，整体结构通过3D打印一体成型制备，形成一种仿生多孔结构复合材料夹芯板材，与传统的夹芯板材结构相比，其比刚度、比强度进一步提升，缓解了因异质材料的属性突变而引发的局部应力集中，解决了上下面板与芯层界面因应力集中而脱黏断裂，提前破坏失效的难题。前破坏失效的难题。