抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合材料及其制备方法

摘要

本发明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。

权利要求

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%；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。

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：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°。

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：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°。

5.根据权利要求3或4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。

6.根据权利要求5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。

7.根据权利要求5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：所述基材为金属、陶瓷、玻璃、混凝土、聚合物和复合材料中的一种或几种。

8.如权利要求1-7所述的抗爆抗冲击多级异质纤维预制体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0.2%-2.0%的羟基化石墨烯加入到涂料中，超声分散使其充分分散，获得改性涂料，备用；在基材表面铺设一层多级异质纤维预制体，将上述改性涂料灌装、涂抹或喷涂2mm-20mm至基材表层，固化；然后重复上述步骤，即得到所述的抗爆抗冲击复合材料。

9.根据权利要求8所述的抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的环氧树脂为双酚A环氧树脂；所述的固化剂为聚酰胺、聚酯树脂、脂肪族胺类固化剂中的一种或多种。

说明书

抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于材料领域，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。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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。但发明专利申请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。

[0004] 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。

发明内容

[0005] 针对现有技术中建筑物、装备抗爆抗冲击方面遇到的问题，本发明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。

[0006] 本发明的技术方案：

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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。

[0010] 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。

[0011] 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：

[0012] (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；

[0013] (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；

[0014] (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；

[0015] (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；

[0016] (5)抗爆抗冲击复合材料的制备：将质量分数为0.2％-2.0％的羟基化石墨烯加入到涂料中，超声分散使其充分分散，获得改性涂料，备用；在基材表面铺设一层多级异质纤维预制体，将上述改性涂料灌装、涂抹或喷涂2mm-20mm至基材表层，固化；然后重复上述步骤，即得到所述的抗爆抗冲击复合材料。

[0017] 其中，步骤(2)中所述的环氧树脂为双酚A环氧树脂；所述固化剂为聚酰胺、聚酯树脂、脂肪族胺类固化剂中的一种或多种。根据上述方法制备的抗爆抗冲击复合材料采用的涂层，除了常规涂层的防水、防腐蚀、装饰等性能之外，还实现了抗爆、抗冲击的效果，降低爆炸与冲击对结构的破环，从而提高结构的防护性能。这是由于，多级异质纤维预制体的负泊松比效应在复合材料中的极大限度发挥，提高了其抗爆抗冲击能力。此外，所述涂层可以与多种基材相结合，适用范围广，对抗爆抗冲击材料的应用具有重要的社会意义。

[0018] 抗爆抗冲击原理：当多级异质纤维预制体受到非平行外力冲击作用时，由于预制体中各级辅纤维的弹性模量较高且断裂伸长率较低，故趋向为伸直状态；而芯纤维则由于弹性模量较低且伸长率较大变，从而趋向为螺旋状态。其中，芯纤维的直径大于辅纤维直径，在应力作用下螺旋纤维结构表现为在横向方向变宽，而纤维预制体则表现为网格经纬向孔隙缩小，当涂层中产生裂缝时，不但保持了涂层的完整性，还保护涂层的开裂，提高涂层整体的抗撕裂与抗强动载等力学性能。在涂层中加入羟基化石墨烯，可以拓宽涂层的玻璃化转变温度区，提高涂层的阻尼性能，显著提高其在高速冲击荷载下的抗撕裂强度。

[0019] 本发明的有益效果：

[0020] (1)本发明所述抗爆抗冲击材料，关键在于采用的抗爆抗冲击涂层；所述的抗爆抗冲击涂层，通过预制体中多级辅纤维的梯度式螺旋设计以及三维层状排布，显著提高预制体的负泊松比效应在基体中的有效发挥；在非平行荷载作用方向上，可以将相同基体配方涂层的抗爆抗冲击性能提高298.5％。

[0021] (2)本发明涂层中所述的多级异质纤维预制体，采用多级不同弹性模量的纤维构筑的纤维束经纬编织网络，不仅节省造价，还可发挥不同纤维的优点；通过纤维梯度结构的设计，增加了纤维网的储能模量等力学性能，并通过经纬网络节点建立了纤维动态联动机制，从而使得所述多级异质纤维预制体具有更加显著的负泊松比效应。

[0022] (3)本发明所述的涂层中加入羟基化石墨烯，解决了涂层的低温脆性弊端；此外，羟基化石墨烯承受较大载荷的性能，进一步提高了涂层的抗剪切与抗撕裂能力，并引发大量微裂纹形成，从而有效吸收荷载能量，达到保护内部结构的效果。其中，抗爆抗冲击多级异质纤维预制体复合涂层的抗拉强度、断裂伸长率、抗撕裂强度可分别达到47.3MPa、369％、187.4MPa，与相同基体配方涂层相比，抗爆抗冲击性能得到了大幅度提高。

附图说明

[0023] 附图1为三级异质纤维结构示意图，其中：a为芯纤维，b1为一级辅纤维，b2为二级辅纤维，b3为三级辅纤维，θ为辅纤维与芯纤维间螺旋角度，D为芯纤维直径，d为辅纤维直径。

[0024] 附图2为三级异质纤维受力变形示意图，其中：A1为自由初始状态三级异质纤维主视图，A2为自由初始状态三级异质纤维径向剖面图，B1为最大应力状态三级异质纤维主视图，B2为最大应力状态三级异质纤维径向剖面图。

[0025] 附图3为多级异质纤维预制体中纤维经纬平织结构示意图，其中，x、y为多级异质纤维的芯纤维之间的距离。

具体实施方式

[0026] 下面结合实施例对本发明做进一步的说明。

[0027] 实施例1：

[0028] 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。所述基材为混凝土。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环氧树脂；所述羟基化石墨烯在涂料中的重量分数为0.4％。所述抗爆抗冲击涂层中设置两层平行排布的二级异质纤维预制体。相邻所述各层二级异质纤维预制体间多级异质纤维的投影夹角为5投。所述各层二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60的。相邻所述二级异质纤维预制体的层间距为15mm。

[0029] 具备负泊松比效应的二级异质纤维预制体，由若干根二级异质纤维经纬平织而成。所述二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，所述二级辅纤维为不同弹性模量的高模量纤维。相邻所述二级异质纤维的芯纤维之间的距离为15mm。所述低模量纤维为聚酯纤维；聚酯纤维直径为450μm的纤维束，断裂伸长率为18％，弹性模量为13.5GPa，密度为1.38g/cm3，有优异的耐酸碱性。

[0030] 所述一级辅纤维是芳纶纤维，弹性模量为50GPa，直径为150μm，螺旋角为8°；所述第二级辅纤维是硅酸铝纤维，弹性模量为480GPa，直径为75μm，螺旋角为20°。

[0031] 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：

[0032] (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；

[0033] (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；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60℃，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；所述的环氧树脂为双酚A环氧树脂；所述固化剂为聚酰胺、聚酯树脂、脂肪族胺类固化剂中的一种或多种。

[0034] (3)二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，按照所述二级结构的螺旋角度，依次重复步骤(1)和步骤(2)，得到二级异质纤维结构；

[0035] (4)二级异质纤维预制体的编织制备：将所得二级异质纤维，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，得到二级异质纤维预制体；

[0036] (5)抗爆抗冲击复合材料的制备：将质量分数为0.4％的羟基化石墨烯加入到涂料中，超声分散使其充分分散，获得改性涂料，备用；在基材表面铺设一层二级异质纤维预制体，将上述改性涂料灌装、涂抹或喷涂20mm至基材表层，固化；然后重复上述步骤，即得到所述的抗爆抗冲击复合材料。

[0037] 实施例2：

[0038] 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。所述基材为陶瓷。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聚脲；所述羟基化石墨烯在涂料中的重量分数为0.5％。所述抗爆抗冲击涂层中设置三层平行排布的三级异质纤维预制体。相邻所述各层三级异质纤维预制体间多级异质纤维的投影夹角为15°。所述各层三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46°。相邻所述三级异质纤维预制体的层间距为5mm。

[0039] 具备负泊松比效应的三级异质纤维预制体，相邻所述三级异质纤维的芯纤维之间的距离为5mm。所述低模量纤维为聚乙烯纤维；直径为380μm的纤维束，弹性模量为4GPa，断裂伸长率为15％，密度为0.91g/cm3。

[0040] 所述一级辅纤维是芳纶纤维，弹性模量为85GPa，直径为243μm，螺旋角为7°；所述第二级辅纤维为超高分子量聚乙烯纤维，弹性模量为130GPa，直径为149μm，螺旋角为20°；所述第三级辅纤维是钢纤维和碳纤维，其中，钢纤维的弹性模量为205GPa，碳纤维的弹性模量为205GPa，钢纤维和碳纤维的直径均为141μm，碳纤维和钢纤维的螺旋角均为35°。

[0041] 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：

[0042] (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；

[0043] (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1.0:1.1；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；所述的环氧树脂为双酚A环氧树脂；所述固化剂为聚酰胺、聚酯树脂、脂肪族胺类固化剂中的一种或多种。

[0044] (3)三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，按照所述三级结构的螺旋角度，依次重复步骤(1)和步骤(2)，得到三级异质纤维结构；

[0045] (4)三级异质纤维预制体的编织制备：将所得三级异质纤维，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，得到三级异质纤维预制体；

[0046] (5)抗爆抗冲击复合材料的制备：将质量分数为0.5％的羟基化石墨烯加入到涂料中，超声分散使其充分分散，获得改性涂料，备用；在基材表面铺设一层三级异质纤维预制体，将上述改性涂料灌装、涂抹或喷涂8mm至基材表层，固化；然后重复上述步骤，即得到所述的抗爆抗冲击复合材料。

[0047] 实施例3：

[0048] 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。所述基材为低碳钢。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、聚氨酯；所述羟基化石墨烯在涂料中的重量分数为0.8％。所述抗爆抗冲击涂层中设置四层平行排布的四级异质纤维预制体。相邻所述各层四级异质纤维预制体间多级异质纤维的投影夹角为35°。所述各层四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90°。相邻所述四级异质纤维预制体的层间距为4mm。

[0049] 具备负泊松比效应的四级异质纤维预制体，相邻所述四级异质纤维的芯纤维之间的距离为25mm。所述低模量纤维为聚苯硫醚纤维；直径为415μm的纤维束，弹性模量为5.94GPa，断裂伸长率为30％。

[0050] 所述一级辅纤维是聚芳酯纤维，弹性模量为50GPa，直径为272μm，螺旋角为6°；所述第二级辅纤维是聚苯并二恶唑纤维，弹性模量为56GPa，直径为223μm，螺旋角为11°；所述第三级辅纤维是超高分子量聚乙烯纤维，弹性模量为65GPa，直径为145μm，螺旋角为18°；所述第四级辅纤维是氧化铝纤维，弹性模量为455GPa，直径为125μm，螺旋角为31°。

[0051] 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：

[0052] (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；

[0053] (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1.0:1.0；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℃，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；所述的环氧树脂为双酚A环氧树脂；所述固化剂为聚酰胺、聚酯树脂、脂肪族胺类固化剂中的一种或多种。

[0054] (3)四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，按照所述四级结构的螺旋角度，依次重复步骤(1)和步骤(2)，得到四级异质纤维结构；

[0055] (4)四级异质纤维预制体的编织制备：将所得四级异质纤维，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，得到四级异质纤维预制体；

[0056] (5)抗爆抗冲击复合材料的制备：将质量分数为0.8％的羟基化石墨烯加入到涂料中，超声分散使其充分分散，获得改性涂料，备用；在基材表面铺设一层四级异质纤维预制体，将上述改性涂料灌装、涂抹或喷涂5mm至基材表层，固化；然后重复上述步骤，即得到所述的抗爆抗冲击复合材料。

[0057] 实施例4：

[0058] 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。所述基材为陶瓷基复合材料。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酚醛树脂；所述羟基化石墨烯在涂料中的重量分数为1.1％。所述抗爆抗冲击涂层中设置两层平行排布的五级异质纤维预制体。相邻所述各层五级异质纤维预制体间多级异质纤维的投影夹角为46°。所述各层五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28°。相邻所述五级异质纤维预制体的层间距为8mm。

[0059] 具备负泊松比效应的五级异质纤维预制体，相邻所述五级异质纤维的芯纤维之间的距离为30mm。所述低模量纤维为聚酯纤维；聚酯纤维：直径为670μm，密度1.34g/cm3，弹性模量为13.55GPa，断裂伸长率为20％，为柔性链纤维。

[0060] 所述一级辅纤维是芳纶纤维，弹性模量为50GPa，直径为230μm，螺旋角为7°；所述第二级辅纤维为石英纤维，弹性模量为78GPa，直径为125μm，螺旋角为10°，所述第三级辅纤维为聚芳酯纤维，弹性模量为87GPa，直径为90μm，螺旋角为24°，所述第四级辅纤维是玄武岩纤维，弹性模量为111GPa，直径为77μm，螺旋角为35°；所述第五级辅纤维为氧化铝纤维，弹性模量为459GPa，直径为71μm，螺旋角为50°。

[0061] 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：

[0062] (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；

[0063] (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1.0:1.2；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70℃，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；所述的环氧树脂为双酚A环氧树脂；所述固化剂为聚酰胺、聚酯树脂、脂肪族胺类固化剂中的一种或多种。

[0064] (3)五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，按照所述五级结构的螺旋角度，依次重复步骤(1)和步骤(2)，得到五级异质纤维结构；

[0065] (4)五级异质纤维预制体的编织制备：将所得五级异质纤维，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，得到五级异质纤维预制体；

[0066] (5)抗爆抗冲击复合材料的制备：将质量分数为1.1％的羟基化石墨烯加入到涂料中，超声分散使其充分分散，获得改性涂料，备用；在基材表面铺设一层五级异质纤维预制体，将上述改性涂料灌装、涂抹或喷涂10mm至基材表层，固化；然后重复上述步骤，即得到所述的抗爆抗冲击复合材料。

[0067] 实施例5：

[0068] 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ABS树脂聚合物材料。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有机硅树脂；所述羟基化石墨烯在涂料中的重量分数为1.6％。所述抗爆抗冲击涂层中设置五层平行排布的六级异质纤维预制体。相邻所述各层六级异质纤维预制体间多级异质纤维的投影夹角为67°。所述各层六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75°。相邻所述六级异质纤维预制体的层间距为6mm。

[0069] 具备负泊松比效应的六级异质纤维预制体，相邻所述六级异质纤维的芯纤维之间的距离为40mm。所述低模量纤维为聚乙烯醇纤维；聚酰胺纤维：长纤维，直径为485μm，断裂伸长率为24％，弹性模量为5.23GPa，密度为1.16g/cm3。

[0070] 所述一级辅纤维是芳纶纤维，弹性模量为72GPa，直径为285μm，螺旋角为7°；所述第二级辅纤维为聚芳酯纤维，弹性模量为120GPa，直径为226μm，螺旋角为15°；所述第三级辅纤维是钢纤维，弹性模量为210GPa，直径为180μm，螺旋角为25°；所述第四级辅纤维是碳化硅纤维，弹性模量为290GPa，直径为142μm，螺旋角为34°；所述第五级辅纤维是氧化铝纤维，弹性模量为373GPa，直径为114μm，螺旋角为40°；所述第六级辅纤维是硅酸铝纤维，弹性模量为481GPa，直径为100μm，螺旋角为50°。

[0071] 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：

[0072] (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；

[0073] (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；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75℃，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；所述的环氧树脂为双酚A环氧树脂；所述固化剂为聚酰胺、聚酯树脂、脂肪族胺类固化剂中的一种或多种。

[0074] (3)六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，按照所述六级结构的螺旋角度，依次重复步骤(1)和步骤(2)，得到六级异质纤维结构；

[0075] (4)六级异质纤维预制体的编织制备：将所得六级异质纤维，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，得到六级异质纤维预制体；

[0076] (5)抗爆抗冲击复合材料的制备：将质量分数为1.6％的羟基化石墨烯加入到涂料中，超声分散使其充分分散，获得改性涂料，备用；在基材表面铺设一层六级异质纤维预制体，将上述改性涂料灌装、涂抹或喷涂8mm至基材表层，固化；然后重复上述步骤，即得到所述的抗爆抗冲击复合材料。

[0077] 实施例6：

[0078] 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。所述基材为玻璃。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脲醛树脂；所述羟基化石墨烯在涂料中的重量分数为0.3％。所述抗爆抗冲击涂层中设置五层平行排布的七级异质纤维预制体。相邻所述各层七级异质纤维预制体间多级异质纤维的投影夹角为85°。所述各层七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°。相邻所述七级异质纤维预制体的层间距为2mm。

[0079] 具备负泊松比效应的七级异质纤维预制体，相邻所述七级异质纤维的芯纤维之间的距离为50mm。所述低模量纤维为聚酰亚胺纤维；其中，弹性模量为12GPa，密度为2.35g/cm3，直径为600μm，断裂伸长率29％。

[0080] 所述一级辅纤维是耐碱玻璃纤维，弹性模量为74GPa，直径为305μm，螺旋角为5°；所述第二级辅纤维为超高分子量聚乙烯纤维，弹性模量为100GPa，直径为200μm，螺旋角为
14°；所述第三级辅纤维是碳化硅纤维，弹性模量为174GPa，直径为152μm，螺旋角为24°；所述第四级辅纤维是钢纤维，弹性模量为202GPa，直径为124μm，螺旋角为33°；所述第五级辅纤维是碳纤维，弹性模量为245GPa，直径为102μm，螺旋角为40°；所述第六级辅纤维是氧化铝纤维，弹性模量为351GPa，直径为76μm，螺旋角为50°；所述第七级辅纤维是碳化硅纤维，弹性模量为462GPa，直径为41μm，螺旋角为60°。

[0081] 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：

[0082] (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；

[0083] (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1.0:0.9；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65℃，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；所述的环氧树脂为双酚A环氧树脂；所述固化剂为聚酰胺、聚酯树脂、脂肪族胺类固化剂中的一种或多种。

[0084] (3)七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，按照所述七级结构的螺旋角度，依次重复步骤(1)和步骤(2)，得到七级异质纤维结构；

[0085] (4)七级异质纤维预制体的编织制备：将所得七级异质纤维，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，得到七级异质纤维预制体；

[0086] (5)抗爆抗冲击复合材料的制备：将质量分数为0.3％的羟基化石墨烯加入到涂料中，超声分散使其充分分散，获得改性涂料，备用；在基材表面铺设一层七级异质纤维预制体，将上述改性涂料灌装、涂抹或喷涂4mm至基材表层，固化；然后重复上述步骤，即得到所述的抗爆抗冲击复合材料。

[0087] 对照实施例1：

[0088] 在低碳钢表面常规处理后铺设芳纶纤维；涂料为添加羟基化石墨烯并充分分散的环氧树脂；所述羟基化石墨烯在涂料中的重量分数为0.4％(同实施例1)。具体方法为：将两种组分混合后喷涂于上述基材表面形成一层涂层，厚度为6mm，然后覆盖一层芳纶纤维，再喷涂一层涂料，厚度为6mm，依次重复三次，形成抗爆防弹涂层，涂层总厚度达到18mm。在无纤维网层的上述低碳钢表面上喷涂，形成同样厚度的抗爆防弹涂层，以其抗冲击强度作为测试的基准。

[0089] 将对照实施例1与实施例1-6制备的复合涂层样品分别进行相应的力学性能测试。

[0090] 纤维力学性能测试：应用万能力学试验机，采用5mm/min的拉伸速度，纤维长度为250mm。

[0091] 泊松比值的测试：采用数字散斑相关方法配合万能力学实验机测试计算，力学实验机加载速度为5mm/min。

[0092] 复合涂层力学性能测试：分别根据ASTMD638、ASTM D638、ASTM D624使用万能试验机进行测试，得到材料的抗拉强度、断裂伸长率、抗撕裂强度以及抗冲击强度。

[0093] 表1对照实施例1纤维网与实施例1-6制备的纤维预制体的参数

[0094] 纤维预制体 对照实施例1 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6泊松比值 0.3 -5.77 -6.98 -7.55 -8.65 -9.35 -10.64

[0095] 表2对照实施例1与实施例1-6制备的抗爆抗冲击复合涂层力学性能测试参数[0096]

[0097] 由表1可知，实施例1-6制备的纤维预制体的泊松比值为-5.77～-10.64，而对照实施例所述的纤维网的泊松比值为0.3。由此可知，与现有技术中的纤维网相比，本申请所述的多级纤维预制体的负泊松效应更加显著；而且随着纤维预制体中辅纤维级数的增加，负泊松效应也逐步增加。

[0098] 由表2可知，实施例1-6制备的复合涂层，拉伸强度为36.4～47.3MPa，断裂伸长率为343.6％～369.0％，抗撕裂强度为149.6kN/m～187.4kN/m；与对照实施例1相比均显著提高，尤其是抗撕裂强度，提高幅度可达83.7％，说明力学性能得到大幅度的提高。同时，与无纤维增强结构的相同涂层相比，本申请所制备的复合涂层的抗冲击性能增幅可达298.5％；说明该复合涂层的预制体中多级辅纤维的梯度式螺旋设计以及三维层状排布具有显著的增强抗冲击、抗爆作用。