专利摘要

本发明公开了一种纤维复合材料的仿生耐磨结构及其制备方法，所述纤维复合材料的仿生耐磨结构包括纤维树脂层和设置在纤维树脂层上的仿生硬质层；所述仿生硬质层的表面设置有凹槽阵列；其中，所述凹槽阵列中的凹槽为仿生凹槽。本发明的仿生硬质层表面的仿生凹槽阵列能够减小表面受到摩擦磨损时的接触面积，以及抵抗由摩擦磨损带来的剪切应力，从而可提高纤维复合材料表面的耐磨性和机械稳定性，延长材料的使用寿命。而且在较软的纤维树脂层上设置仿生硬质层，提高了纤维复合材料的仿生耐磨结构的韧性，改善了仿生硬质层接触使用时的舒适度，此外，这种刚柔耦合的结构能够在保留纤维树脂层的轻质、高强特性的同时改善结构的耐磨性能。

权利要求

1.一种纤维复合材料的仿生耐磨结构，其特征在于，包括纤维树脂层和设置在纤维树脂层上的仿生硬质层；所述仿生硬质层的表面设置有凹槽阵列；其中，所述凹槽阵列中的凹槽为仿生凹槽。

2.根据权利要求1所述的纤维复合材料的仿生耐磨结构，其特征在于，相邻两个所述仿生凹槽的上部相互连通。

3.根据权利要求2所述的纤维复合材料的仿生耐磨结构，其特征在于，所述仿生硬质层包括基底，依次设置在所述基底上的第一方块阵列、连接结构以及第二方块阵列；所述第一方块阵列中的第一方块与所述第二方块阵列中的第二方块一一对应设置；所述第一方块阵列中各第一方块和所述第二方块阵列中各第二方块均通过连接结构连接以形成凹槽阵列。

4.根据权利要求3所述的纤维复合材料的仿生耐磨结构，其特征在于，所述连接结构包括第三方块阵列、连接所述第三方块阵列中各第三方块的第一连接梁以及连接所述第一方块阵列中各第一方块的第二连接梁；所述第三方块阵列中的第三方块与所述第一方块阵列中的第一方块一一对应设置；所述第三方块的上表面、所述第一连接梁的上表面均与所述第二方块的下表面连接，所述第三方块的下表面、所述第一连接梁的下表面均与所述第一方块的上表面连接；所述第二连接梁的上表面与所述第一连接梁的下表面连接，所述第二连接梁的下表面与所述基底连接。

5.根据权利要求4所述的纤维复合材料的仿生耐磨结构，其特征在于，所述第一方块与所述第二方块的边长均为3-6mm，所述凹槽阵列中凹槽的深度为2-5mm，所述第一连接梁的宽度和第二连接梁的宽度均为1-3mm。

6.根据权利要求5所述的纤维复合材料的仿生耐磨结构，其特征在于，所述仿生硬质层为一体成型的仿生硬质层。

7.根据权利要求1所述的纤维复合材料的仿生耐磨结构，其特征在于，所述纤维树脂层包括树脂层以及嵌设在所述树脂层中的纤维层。

8.根据权利要求6所述的纤维复合材料的仿生耐磨结构，其特征在于，所述纤维层中纤维的铺排方式包括对称角铺排、反对称角铺排、螺旋铺排中的一种。

9.一种如权利要求1-8任意一项所述的纤维复合材料的仿生耐磨结构的制备方法，其特征在于，包括步骤：

制备纤维树脂层；

在所述纤维树脂层上形成硬质层，并采用模具对所述硬质层进行压印形成凹槽阵列以得到仿生硬质层，从而制成所述纤维复合材料的仿生耐磨结构；其中，所述凹槽阵列中的凹槽为仿生凹槽。

10.一种座椅，其特征在于，包括如权利要求1-8任意一项所述纤维复合材料的仿生耐磨结构，所述仿生耐磨结构设置在所述座椅上。

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，尤其涉及一种纤维复合材料的仿生耐磨结构及其制备方法。

背景技术

城市轨道交通系统是现代城市公共交通的重要组成部分，它具有运能力大、速度快、安全准时、成本低、节约能源、乘坐方便舒适以及能缓解地面交通拥挤和有利于环境保护等优点，常被称为“绿色交通”。然而由于客流量较大、使用频繁等特点，地铁、轻轨的座椅伴随着长期磨损老化的问题。座椅这类经常接触使用的设备，如果采用较软的材料，虽然舒适度较好，但容易磨损，寿命较短；如果采用硬度过高的材料，虽然耐磨，但舒适度较差。可见，现有技术中，城市轨道交通的座椅等经常接触使用的设备存在难以兼具耐磨和舒适度的问题。

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纤维复合材料的仿生耐磨结构及其制备方法，旨在解决经常接触使用的设备存在难以兼具耐磨和舒适度的问题。

本发明的技术方案如下：

一种纤维复合材料的仿生耐磨结构，其中，包括纤维树脂层和设置在纤维树脂层上的仿生硬质层；所述仿生硬质层的表面设置有凹槽阵列；其中，所述凹槽阵列中的凹槽为仿生凹槽。

所述的纤维复合材料的仿生耐磨结构，其中，相邻两个所述仿生凹槽的上部相互连通。

所述的纤维复合材料的仿生耐磨结构，其中，所述仿生硬质层包括基底，依次设置在所述基底上的第一方块阵列、第一连接结构以及第二方块阵列；所述第一方块阵列中的第一方块与所述第二方块阵列中的第二方块一一对应设置；所述第一方块阵列中各第一方块和所述第二方块阵列中各第二方块均通过第一连接结构连接以形成凹槽阵列。

所述的纤维复合材料的仿生耐磨结构，其中，所述第一连接结构包括第三方块阵列、连接所述第三方块阵列中各第三方块的第一连接梁以及连接所述第一方块阵列中各第一方块的第二连接梁；所述第三方块阵列中的第三方块与所述第一方块阵列中的第一方块一一对应设置；所述第三方块的上表面、所述第一连接梁的上表面均与所述第二方块的下表面连接，所述第三方块的下表面、所述第一连接梁的下表面均与所述第一方块的上表面连接；所述第二连接梁的上表面与所述第一连接梁的下表面连接，所述第二连接梁的下表面与所述基底连接。

所述的纤维复合材料的仿生耐磨结构，其中，所述第一方块与所述第二方块的边长均为3-6mm，所述凹槽阵列中凹槽的深度为2-5mm，所述第一连接梁的宽度和第二连接梁的宽度均为1-3mm。

所述的纤维复合材料的仿生耐磨结构，其中，所述仿生硬质层为一体成型的仿生硬质层。

所述的纤维复合材料的仿生耐磨结构，其中，所述纤维树脂层包括树脂层以及嵌设在所述树脂层中的纤维层。

所述的纤维复合材料的仿生耐磨结构，其中，所述纤维层中的纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、凯夫拉纤维、麻纤维或木纤维中的一种或多种。

所述的纤维复合材料的仿生耐磨结构，其中，所述纤维层中纤维的铺排方式包括对称角铺排、反对称角铺排、螺旋铺排中的一种。

一种如上所述的纤维复合材料的仿生耐磨结构的制备方法，其中，包括步骤：

制备纤维树脂层；

在所述纤维树脂层上形成硬质层，并采用模具对所述硬质层进行压印形成凹槽阵列以得到仿生硬质层，从而制成所述纤维复合材料的仿生耐磨结构；其中，所述凹槽阵列中的凹槽为仿生凹槽。

一种座椅，其中，包括如上所述纤维复合材料的仿生耐磨结构，所述仿生耐磨结构设置在所述座椅上。

有益效果：本发明通过在纤维树脂层上设置仿生硬质层，设计了一种纤维复合材料的仿生耐磨结构。由于本发明的仿生硬质层的表面设置有凹槽阵列，所述凹槽阵列中的凹槽为仿生凹槽，减小表面受到摩擦磨损时的接触面积，以及抵抗由摩擦磨损带来的剪切应力，从而可提高纤维复合材料表面的耐磨性和机械稳定性，延长材料的使用寿命。而且在较软的纤维树脂层上设置仿生硬质层，通过刚柔耦合，提高了纤维复合材料的仿生耐磨结构的韧性，改善了仿生硬质层接触使用时的舒适度，此外，这种刚柔耦合的结构能够在保留纤维树脂层的轻质、高强特性的同时改善结构的耐磨性能。纤维复合材料的仿生耐磨结构可用作城市轨道交通系统中的地铁、轻轨的座椅。

附图说明

图1为本发明实施例的一种纤维复合材料的仿生耐磨结构的示意图。

图2为本发明实施例的一种纤维复合材料的仿生耐磨结构的仿生硬质层示意图。

图3为本发明实施例的一种纤维复合材料的仿生耐磨结构的仿生硬质层的侧面示意图。

图4为本发明实施例的一种纤维复合材料的仿生耐磨结构的仿生硬质层的表面示意图。

图5为本发明实施例的一种纤维复合材料的仿生耐磨结构的仿生硬质层的单元结构立体透视图。

图6为本发明实施例的一种纤维复合材料的仿生耐磨结构的仿生硬质层的单元结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种纤维复合材料的仿生耐磨结构及其制备方法，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。

跳虫是一种弹尾目的非昆虫六足动物，长期生活在潮湿的土壤环境中，并利用皮肤进行呼吸。其独特的表面结构赋予其表皮良好的耐磨性。其特殊的非光滑结构能有效改善表面摩擦磨损时的接触面积、受力情况等因素来提高耐磨性。同时不同的单元结构通过脊状条纹实现互锁式连接，从而大大提高整个结构的机械稳定性，实现摩擦磨损过程中对于剪切应力的有效抵抗，为仿生结构材料的设计提供了思路。

本实施例提供了一种纤维复合材料的仿生耐磨结构，如图1所示，所述纤维复合材料的仿生耐磨结构包括纤维树脂层10和设置在纤维树脂层10上的仿生硬质层20。

本实施例中，在纤维树脂层10上设置一层仿生硬质层20，仿生硬质层20表面形成了仿生凹槽301结构，能够有效减小纤维复合材料表面受到摩擦磨损时的接触面积，以及抵抗摩擦磨损带来的剪切应力，提高材料表面硬度、减小摩擦实际接触面积、增加结构强度，从而提高纤维复合材料的耐磨性和机械稳定性。而纤维树脂层10具有耗散摩擦能量，增强材料整体韧性的效果。本实施例采用了仿生学的设计理念，将具有仿生凹槽301结构表面的仿生硬质层20与传统的纤维增强材料结合，制备出一种纤维复合材料的仿生耐磨结构，能够在保留树脂基复合材料轻质、高强特性的同时，显著提高材料的韧性，改善材料的耐磨性和机械稳定性。解决了现有的纤维增强复合材料结构单一、耐磨性能较差的缺点，相比于传统的纤维增强材料，其耐磨性提高了20％～30％，为轻质、耐磨复合材料的设计与制备提供了新思路和新方法。

本实施例中，如图2所示，所述仿生硬质层20表面设置有凹槽阵列，所述凹槽阵列由多个仿生凹槽301通过矩阵形式整齐排列而成。也就是说，所述仿生硬质层20表面是非光滑表面，表面具有多个仿生凹槽301结构，并且具有高硬度、高模量的特点，可有效减小实际的摩擦磨损接触面积，降低切向力，改变表面的受力状态。

本实施例中，相邻两个所述仿生凹槽301的上部相互连通，具体地，相邻两个所述仿生凹槽的上部通过沟槽302连通，沟槽302的深度小于仿生凹槽301的深度，通过设置沟槽302使得仿生硬质层20受力变形时，沟槽302可为变形提供空间，减少沟槽302边缘相互挤压，造成结构破坏。

本实施例中，如图3和图4所示，所述仿生硬质层20包括基底，依次设置在所述基底21上的第一方块阵列、连接结构24以及第二方块阵列；所述第一方块阵列由多个第一方块按照矩阵形式排列而成，所述第一方块阵列中的第一方块22与所述第二方块阵列中的第二方块23一一对应设置。具体地，在基底上设置第一方块阵列，所述第一方块阵列中的每两个第一方块22间隔排列，各第一方块22的形状和大小均相同。每一个第一方块22上设置有与之相对应的第二方块23，以形成第二方块阵列。第二方块阵列中的每两个第二方块23间隔排列，各第二方块23的形状和大小均相同。第一方块22与第二方块23均为正方形方块，第一方块22和第二方块23的相对大小可以一致也可以不一致。所述第一方块阵列中各第一方块22和所述第二方块阵列中各第二方块23均通过连接结构24连接以形成凹槽阵列。

基底21即为仿生凹槽301的底，仿生凹槽301的底呈十字形。第一方块22侧表面、上表面，连接结构24的侧面，以及第二方块23的侧表面、下表面形成仿生凹槽301的侧壁。连接结构24的上表面为沟槽302的底，第二方块的侧表面形成沟槽302的侧壁。

本实施例中，如图5所示，所述连接结构24包括第三方块阵列、连接所述第三方块阵列中各第三方块243的第一连接梁241、连接所述第一方块阵列中各第一方块22的第二连接梁242。第三方块阵列中的第三方块243与第一方块22一一对应设置，也就是说，每个第三方块243将其对应的第一方块22与该第一方块22对应的第二方块23连接，第三方块243的下表面与其对应的第一方块22的上表面连接，第三方块243的上表面与该第一方块22对应的第二方块23的下表面连接。第三方块243的形状与第一方块22的形状相同，其大小均比第一方块22和第二方块23小，形成一种侧面呈“工”字形的结构。

进一步，每两个第三方块243通过第一连接梁241相互连接，第三方块243的厚度与第一连接梁241相同，第一连接梁241与第三方块243连接的一端的下表面与第一方块22的上表面连接，且第一连接梁241与第三方块243连接的一端的上表面与第二方块23的下表面连接，也就是说，第一连接梁241的两端均嵌设在第一方块22和第二方块23中间，并与第一方块22和第二方块23中间的第三方块243连接。进一步，在每两个第一方块22之间设置第二连接梁242，同时第二连接梁242的上表面与第一连接梁241连接，第二连接梁242的下表面与基底连接，其宽度与第一连接梁241的宽度一致。第一连接梁241和第二连接梁242共同将“工”字形的结构两两连接，有效实现了将第一方块阵列各第一方块22之间的连接，以及第二方块阵列中的第二方块23之间的连接，将不同结构单元两两连接，也就是说，连接结构24形成互相联结的脊状结构，将第一方块阵列各第一方块22、第二方块阵列中各第二方块23相互连接起来，能够均化切向应力，分散局部载荷，并防止结构单元的剥离，增强了纤维复合材料的机械稳定性，并实现了良好的耐磨性。

进一步，所述仿生硬质层20为一体成型的仿生硬质层，仿生硬质层20材料可采用硬质金属材料。

综上可知，首先，仿生硬质层20提升了仿生耐磨结构的硬度，从而提升了其耐磨性能。其次，非光滑表面(第二方块阵列)可有效减小实际的摩擦接触面积、降低切向力，改变表面应力状态，从而实现良好的耐磨性。同时连接结构形成的互联脊状结构，有效实现了不同结构单元的连接，具有均化切向应力，分散局部载荷，以及防止结构剥离的作用。上述结构共同作用实现了仿生耐磨结构的高效耐磨机制。

进一步，如图6所示，所述第二方块23的角采用圆角，防止应力集中而造成结构损伤以及尖锐棱角扎伤接触使用的用户。

在一种实施方式中，所述第一方块22与所述第二方块23的边长均为3-6mm，所述凹槽阵列中凹槽的深度为2-5mm，所述第一连接梁241的宽度和第二连接梁242的宽度均为1-3mm。

在一种实施方式中，所述纤维树脂层10包括树脂层11以及嵌设在所述树脂层中的纤维层12。所述纤维树脂层10是通过树脂浸润纤维而制成，纤维被树脂包裹，其中纤维的重量百分比含量为40％～70％。进一步，所述树脂采用热固性树脂或热塑性树脂。

在一种实施方式中，所述纤维层11中的纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、凯夫拉纤维、麻纤维或木纤维中的一种或多种。

在一种实施方式中，所述纤维层中纤维的铺排方式包括对称角铺排、反对称角铺排、螺旋铺排中的一种。具体地，对称角铺排指的是相对于某一层纤维铺排的方向，铺排角度关于中心对称的铺设方式，例如，相对于第一层，每层的铺排转角依次为90°、45°、0、45°、90°。反对称角铺排指的是相对于某一层纤维铺排的方向，铺排角度的大小关于中心对称，但旋转方向相反，例如，相对于第一层，每层的铺排转角依次为90°、45°、0、-45°、-90°。进一步，螺旋铺排指的是通过改变层间转角以及铺排周期实现纤维树脂层结构的变化，每层纤维的铺排方向相比于前一次排的纤维铺排方向旋转一个角度，最终以总的旋转角度为180°为一个周期。通过改变螺旋铺排的具体周期数目可以改变纤维树脂层的具体结构，根据实际的铺排转角，以及相应的纤维树脂层厚度，合理地调整铺排周期。螺旋铺排方式形成的螺旋纤维树脂层可提高纤维复合材料的整体强度和韧性，耗散摩擦能量，防止应力集中带来的剧烈磨损。在外载荷的作用下，产生于螺旋纤维树脂层的裂纹不会沿直线传播，而是不断地发生偏转和扭曲从而在防止裂纹灾难性扩张的同时耗散了大量的能量，从而提高了材料的固有韧性、耐用性以及耐磨性。在一种优选的实时方式中，所述纤维层的层间转角为10°～60°。如图2所示，纤维树脂层10的纤维层11的层间转角为30°，则每6层纤维为一个铺排周期。

与现有技术相比，本发明实施例的优点在于：

1、本发明实施例是基于生物体内部纤维排布和表面非光滑结构所具有轻质、高强、耐磨损的特性，将仿生的设计理念融入传统的纤维增强复合材料的设计中。针对现有工程技术中对于材料轻质、高强、耐磨损的要求进行纤维铺敷方式、纤维种类等参数的优选，以及表面结构的优选，制备出一种纤维复合材料的仿生轻量、耐磨结构。

2、本发明实施例解决了传统纤维增强材料轻量化和易发生摩擦磨损的问题，重量较传统金属材料减轻30％～50％，耐磨性较传统纤维增强提升20％～30％，在具有良好强度、韧性以及耐磨性能的同时实现了材料的轻量化，除轨道交通外还可广泛应用于汽车、船舶、航空航天等领域。

本实施例还提供一种纤维复合材料的仿生耐磨结构的制备方法，包括步骤：

S10、制备纤维树脂层10；

S20、在所述纤维树脂层10上形成硬质层，并采用模具对所述硬质层进行压印形成凹槽阵列以得到仿生硬质层20，从而制成所述纤维复合材料的仿生耐磨结构；其中，所述凹槽阵列中的凹槽为仿生凹槽301。

具体地，硬质层可以采用金属蒙皮或合金蒙皮。将纤维经树脂浸润，将浸润后的纤维通过手工铺排的方式铺敷成的纤维树脂，将铺排好的纤维树脂置于模具型腔中，将模具型腔内的纤维树脂在一定的温度和压力下进行固化处理，制成纤维树脂层10。将纤维树脂层经表面处理后，在表面接合硬质层，采用模具对所述硬质层进行压印，使仿生硬质层20表面形状一体成型，制成纤维复合材料的仿生耐磨结构。其中，采用的模具内的形状与仿生硬质层20表面形状一致。具体树脂由所选金属/合金蒙皮的材质所决定。

进一步，固化处理所采用的固化剂包括但不限于聚醚胺或异佛尔酮二胺，固化的温度为50-300℃，固化的压力为1-30MPa，固化的时间为4-20h。

进一步，对所述硬质层进行压印的压力为2-5MPa。

本实施例还提供了一种座椅，所述纤维复合材料的仿生耐磨结构设置在所述座椅上。纤维复合材料的仿生耐磨结构能够良好地满足城市轨道交通的座椅轻质、高强以及耐磨的性能要求，延长座椅的使用寿命。

综上所述，本发明通过在纤维树脂层上设置仿生硬质层，设计了一种纤维复合材料的仿生耐磨结构；所述仿生硬质层的表面设置有凹槽阵列；其中，所述凹槽阵列中的凹槽为仿生凹槽。本发明以跳虫皮肤的表面结构为启示，将具有仿生凹槽结构表面的仿生硬质层与传统的纤维增强材料结合，仿生硬质层的表面的仿生凹槽阵列能够减小表面受到摩擦磨损时的接触面积，以及抵抗由摩擦磨损带来的剪切应力，从而可提高纤维复合材料表面的耐磨性和机械稳定性，延长材料的使用寿命。而且在较软的纤维树脂层上设置仿生硬质层，通过软硬耦合，提高了纤维复合材料的仿生耐磨结构的韧性，改善了仿生硬质层接触使用时的舒适度，此外，这种刚柔耦合的结构能够在保留纤维树脂层的轻质、高强特性的同时改善结构的耐磨性能。纤维复合材料的仿生耐磨结构可用作城市轨道交通系统中的地铁、轻轨的座椅。

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。

一种纤维复合材料的仿生耐磨结构及其制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。