一种分级点阵结构的制作方法

本发明涉及材料结构技术领域，尤其涉及一种点阵结构。该点阵结构包含内部填充点阵材料与外部增强型薄壁结构，具有高承载、高比表面积及开孔等特性，有着良好的结构与功能特性。

背景技术：

当前，对于飞行器与航空发动机的轻量化、高性能的要求越来越高，传统的航天器设计需要考虑结构与功能，即一方面需要具有高承载能力的结构件，另一方面需要满足隔热减振等特殊要求。因而，开发具有优异结构和功能特性的功能材料成为了必然要求。点阵结构以其具有高孔隙率、高比表面积及开孔特性，在航空领域应用有着巨大的潜力。如cn201710335220.3-一种具有点阵冷却结构的扇形封严块制备方法利用点阵结构的因高比表面积而具有的优良散热特性，制备出了良好散热冷却的扇形封严块。但是这种结构仅限于散热特性的体现，对于其承载能力有待进一步提高。对此，cn201510500428.7-具有网格增强蜂窝芯体的夹芯结构公布了利用网格结构增强蜂窝结构的方法，提高了结构的力学性能。但是，二维平面拉伸的蜂窝结构由于薄壁特征的存在，导致其开孔形式比较单一，且其比表面积相对于三维点阵结构而言也较小。此外，由于当前制备技术的限制，现有的点阵结构主要存在于宏观和介观尺寸，其功能体现主要依托于新材料的应用，不能充分体现点阵结构本身的优异结构特性。

技术实现要素：

有鉴于此，为了实现优异的结构承载特性与高比表面积的功能特性，从而使得结构件的功能多元化。本发明创新性地提出在宏观尺寸下填充介观尺寸级别的点阵结构从而形成分级点阵结构，不仅进一步地增强了点阵结构的力学性能，还保留了点阵结构本身的高比表面积和开孔特性，使得该分级点阵结构在功能性承载应用上有着良好的应用价值。

本发明的分级点阵结构，包括外部薄壁结构和填充于所述外部薄壁结构内的内部点阵结构；所述外部薄壁结构为宏观尺寸，内部点阵结构为介观尺寸。

进一步，所述外部薄壁结构与内部点阵结构之间的连接处通过布尔运算合并实体而成；

进一步，所述外部薄壁结构为二维平面拉伸获得的蜂窝式结构；

进一步，所述外部薄壁结构为正方形结构，所述内部点阵结构为体心立方点阵结构或面心立方点阵结构；

进一步，所述正方形结构的外部薄壁结构与填充于其内部的内部点阵结构形成分级点阵结构单胞；所述分级点阵结构单胞沿着两个方向排列，且相邻单胞之间紧密结合并通过布尔运算中的实体组合，从而形成具有较大尺寸的分级点阵结构。

本发明的有益效果：

1.本发明的分级点阵结构较传统点阵结构有着显著的力学性能提升。

2.本发明的分级点阵结构有着较高的比表面积和开孔特性。

3.本发明通过改变内部填充的点阵结构能实现分级点阵结构功能特性的变化，进一步地，在不同区域填充不同拓扑形态的点阵结构还能实现分级点阵结构的梯度变化。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为外部薄壁结构的示意图；

图2为体心立方点阵结构的示意图；

图3为分级点阵结构单胞的示意图；

图4为大尺寸的分级点阵结构的主视图；

图5为大尺寸的分级点阵结构(内部为体心立方点阵)的轴测图；

图6为面心立方点阵结构的示意图；

图7为大尺寸的分级点阵结构(内部为面心立方点阵)的轴测图；

图8为压缩应力应变曲线对比图。

具体实施方式

本实施例公开了一种分级点阵结构，其在传统点阵基础上添加薄壁结构1，能大幅提高点阵结构的力学性能。此外，这种分级点阵结构仍然保留了点阵结构的高比表面积和开孔特性，使得其功能性如热导性、催化剂载体等得以保证，为当前各种具有特殊功用的功能结构件设计提供了新的参考。

优选地，内部点阵结构选择结构简单、具有广泛代表性的体心立方(bcc)点阵结构2，外部薄壁结构1选择正方形(square)结构。square结构内部尺寸为5×5×5mm³，外部尺寸为5.5×5.5×5mm³(薄壁结构1厚度为0.25mm)，见图1；内部的bcc点阵结构2杆径为0.25mm，单胞尺寸为1×1×1mm³，图2表示的是bcc点阵块，其三个方向数量各位5，总体尺寸为5×5×5mm³；形成的分级点阵结构见图3，其整体尺寸为5.5×5.5×5mm³。

优选地，将分级点阵结构单胞沿着两个方向排列，单胞之间紧密结合，通过布尔运算中的实体组合，从而形成具有较大尺寸的分级点阵结构，见图4与图5，其整体尺寸为16×16×5mm³。图4表示的是分级点阵结构的正视图，图5为该结构的上下二等角轴测视图。

更优选地，为扩大分级点阵结构的表面积，将分级点阵结构内部的bcc点阵结构2替换为面心立方(fcc)点阵结构3，见图6，其杆径为0.2mm，单胞尺寸为1×1×1mm³，形成的整体分级点阵结构见图7。

优选地，对bcc结构、square结构和复合square+bcc分级点阵结构进行有限元分析，以钛合金tc4为材料，其压缩应力应变曲线见图8。bcc点阵结构的弹性模量为2.3gpa，抗压强度为75mpa，考虑点阵结构中相对密度的影响，模量与强度与相对密度做比值，可获得相对弹性模量和相对抗压强度，bcc点阵结构依次为8.73gpa，284.1mpa。带薄壁结构的分级点阵结构弹性模量为23.6gpa，抗压强度为311mpa，相对模量和相对强度分别为60.39gpa，795.4mpa。相对弹性模量增加591.8％，相对抗压强度增加了180％。

此外，bcc结构、square结构和复合square+bcc分级点阵结构三种结构的比表面积分别为：3.74，0.73，3.67。由此可见，分级点阵结构有着较高的比表面积，相对于二维蜂窝结构比表面积大幅增加。进一步地，通过观察仿真破坏形式，发现：单独正方形结构薄壁在大变形下出现较为明显的褶曲，而三维点阵结构出现较为明显的剪切带，但是复合而成的分级点阵结构出现了鼓胀现象，破坏形式的变化导致了点阵结构的承载能力得到了大幅提升。

更优选地，选取的fcc点阵结构3作为替换bcc的内部点阵结构，形成的分级点阵结构的比表面积达到4.05。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种分级点阵结构，其特征在于：包括外部薄壁结构和填充于所述外部薄壁结构内的内部点阵结构；所述外部薄壁结构为宏观尺寸，内部点阵结构为介观尺寸。

2.根据权利要求1所述的分级点阵结构，其特征在于：所述外部薄壁结构与内部点阵结构之间的连接处通过布尔运算合并实体而成。

3.根据权利要求1所述的分级点阵结构，其特征在于：所述外部薄壁结构为二维平面拉伸获得的蜂窝式结构。

4.根据权利要求1所述的分级点阵结构，其特征在于：所述外部薄壁结构为正方形结构，所述内部点阵结构为体心立方点阵结构或面心立方点阵结构。

5.根据权利要求1所述的分级点阵结构，其特征在于：所述正方形结构的外部薄壁结构与填充于其内部的内部点阵结构共同形成分级点阵结构单胞；所述分级点阵结构单胞沿着两个方向排列，且相邻单胞之间紧密结合并通过布尔运算中的实体组合，从而形成具有较大尺寸的分级点阵结构。

技术总结
本发明公开了一种分级点阵结构，包括外部薄壁结构和填充于所述外部薄壁结构内的内部点阵结构；所述外部薄壁结构为宏观尺寸，内部点阵结构为介观尺寸；本发明创新性地提出在宏观尺寸下填充介观尺寸级别的点阵结构从而形成分级点阵结构，不仅进一步地增强了点阵结构的力学性能，还保留了点阵结构本身的高比表面积和开孔特性，使得该分级点阵结构在功能性承载应用上有着良好的应用价值。

技术研发人员：柏龙;龚程;陈晓红;孙圆喜;胡明金;蒲华燕
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2020.01.17
技术公布日：2020.06.09