一种各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系

本发明涉及力学超材料设计与制造，具体涉及一种各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系。

背景技术：

1、点阵材料属于多孔固体的一种，是通过人为设计微结构单元并阵列构筑而成的新型材料，通常具备天然材料所不具备的力学性能，通过合理的设计可以实现轻量化、高强度、抗冲击和降噪声等性能优势，并且已经在航空宇航、轨道交通、国防安全、建筑工程和机械装备等领域取得了广泛应用；泡沫材料也是一种典型的多孔固体，并广泛应用在抗冲击吸能领域，通过降低冲击荷载的峰值和延长冲击持续时间，来减少冲击载荷的破坏，保障人员安全性和装备可靠性。近期研究发现，可以通过人为地设计点阵材料的单胞构型，实现对整体点阵材料的比强度、弹塑性和各向同性等力学性质的大范围调控；同时还发现可以在泡沫材料外围添加板和壳等结构，而组成泡沫填充吸能元件，通过在变形过程中，限制泡沫材料的横向位移，可以获得更优异的抗冲击吸能效果。因此，迫切需要整合点阵材料可设计性强的优势与泡沫材料抗冲击吸能的优势，获得整体抗冲击性能更强的超材料体系。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系，以解决现有技术中超材料体系抗冲击性能差的问题。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系的制备方法，依次包括以下步骤：

3、(1)设计点阵材料的单元构型和点阵材料的整体构型；

4、(2)根据点阵材料的应用需求，设计点阵材料各单元构型的力学性能数值；

5、(3)根据步骤(2)所设计的各单元构型的力学性能数值，向点阵材料的每个单元构型内填充泡沫材料，形成魔方式超材料体系的几何模型；

6、(4)将步骤(3)得到的几何模型导入增材制造切片软件，形成魔方式超材料体系的增材制造模型；

7、(5)将步骤(4)得到的增材制造模型导入增材制造设备，进行逐层打印制造，得到各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系。

8、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

9、进一步，步骤(1)中，根据工程结构的实际需求，设计点阵材料的单胞构型，然后，通过阵列的方式形成点阵材料的整体构型。

10、进一步，步骤(1)中，单元构型和整体构型均为立方体。

11、进一步，单元构型和整体构型均为立方体、长方体、四面体、八面体或十四面体。

12、进一步，阵列为3×3×3。

13、进一步，步骤(2)中，点阵材料框架壳体的壁厚为0.2-1mm。

14、进一步，步骤(2)中，点阵材料框架壳体的壁厚为0.4mm。

15、进一步，步骤(2)中，力学性能为密度、弹性模量和平台应力。

16、进一步，密度为92-120kg/m3，弹性模量为35.18-50.12mpa，平台应力为0.66-1.05mpa。

17、进一步，步骤(3)中，泡沫材料的胞元尺寸为10-15mm，壁厚为0.2-1mm。

18、进一步，步骤(3)中，泡沫材料的胞元尺寸为12mm，壁厚为0.4mm。

19、进一步，步骤(4)中，通过分层切片的方法，形成魔方式超材料的增材制造模型。

20、进一步，步骤(4)中，将得到的增材制造模型进行结构完整性的校验。

21、进一步，步骤(5)中，打印制造的基体材料为聚乳酸。

22、进一步，步骤(5)中，打印制造的基体材料为树脂、金属或陶瓷。

23、进一步，步骤(5)中，打印制造的基体材料为pla聚乳酸、abs塑料、尼龙、光敏树脂、碳化硅、氧化铝、钛合金、铝合金或钢。

24、进一步，步骤(5)中，打印制造的技术为熔丝制造成型、光聚合成型、激光熔化成型或熔融沉积成型。

25、进一步，步骤(5)中，打印制造的技术为熔丝制造成型。

26、本发明还提供上述方法制得的各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系。

27、本发明具有以下有益效果：

28、1、本发明通过设计各结构单元内部的孔洞结构，实现各单元的力学性能可调节，形成魔方式结构的拼接效果，可针对特定的载荷工况，人为地设计点阵单元的结构构型。

29、2、本发明通过利用点阵材料的封闭单元限制泡沫材料在变形过程中的横向位移，显著提升超材料体系的抗冲击吸能能力，除了点阵材料和泡沫材料自身提供的承载能力外，还包括二者在变形过程中相互挤压、屈曲而贡献的额外载荷。

30、3、本发明建立的超材料体系可通过各种类型的增材制造技术进行制造，包括但不限于光聚合成型、激光熔化成型、熔融沉积成型等技术，从而获得以树脂、金属、聚合物等为基体的超材料。

31、4、本发明的优越性在于各单元的力学性能可调节，实现魔方式结构的拼接效果；利用点阵材料的封闭单元限制泡沫材料在变形过程中的横向位移，显著提升超材料体系的抗冲击吸能能力；可通过各种类型的增材制造技术进行制造，获得各种基体的超材料体系。

技术特征：

1.一种各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，根据工程结构的实际需求，设计点阵材料的单胞构型，然后，通过阵列的方式形成点阵材料的整体构型。

3.根据权利要求1所述的各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，单元构型和整体构型均为立方体。

4.根据权利要求1所述的各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，力学性能为密度、弹性模量和平台应力。

5.根据权利要求4所述的各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系的制备方法，其特征在于，密度为92-120kg/m3，弹性模量为35.18-50.12mpa，平台应力为0.66-1.05mpa。

6.根据权利要求1所述的各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，泡沫材料的胞元尺寸为10-15mm，壁厚为0.2-1mm。

7.根据权利要求1所述的各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，泡沫材料的胞元尺寸为12mm，壁厚为0.4mm。

8.根据权利要求1所述的各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，通过分层切片的方法，形成魔方式超材料的增材制造模型。

9.根据权利要求1所述的各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，打印制造的基体材料为聚乳酸。

10.权利要求1-9任一项所述的各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系的制备方法制得的各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系。

技术总结
本发明公开了一种各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系，涉及力学超材料设计与制造技术领域。该方法依次包括以下步骤：设计点阵材料的单元构型和整体构型；设计点阵材料各单元构型的力学性能数值；向点阵材料的每个单元构型内填充泡沫材料，形成魔方式超材料体系的几何模型；导入增材制造切片软件，形成魔方式超材料体系的增材制造模型；导入增材制造设备，得到各单元力学性能可调节的魔方式超材料体系。本发明利用点阵材料的封闭单元限制泡沫材料在变形过程中的横向位移，显著提升超材料体系的抗冲击吸能能力，解决了现有技术中超材料体系抗冲击性能差的问题。

技术研发人员：张超,段宇,陈小鹏,杨璐,杜冰,崔泽森
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15