一种可回复式吸能结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种可回复式吸能结构及其制备方法，所述结构包括：从上至下依次堆叠的若干层吸能层，每个吸能层均包括若干个吸能单元，所述吸能单元包括：若干个弹性连接件，若干个弹性连接件的上端均与上连接点连接，若干个弹性连接件的下端均与下连接点连接，相邻两个弹性连接件除各自两端之外的部分之间具有间隙，弹性连接件的材料为NiTi合金。本发明专利技术中的吸能结构解决了传统吸能结构不可重复使用的问题，改善结构的力学性能，本发明专利技术中的制备方法能够制备出克重复使用的吸能结构，且制备出的吸能结构具有良好的力学性能，且本制备方法能够兼顾吸能结构的力学性能和制备效率。

A recoverable energy absorbing structure and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种可回复式吸能结构及其制备方法
本专利技术涉及吸能结构及吸能结构制备方法领域，具体地，涉及一种可回复式吸能结构及其制备方法。
技术介绍
外太空着陆器如月球车、火星着陆器等需要轻质、减振吸能、可重复使用的减振结构，缓冲着陆过程及探测运动过程中产生的振动，以保证探测器内部元器件不被振动和冲击损伤。传统材料(钢、铝合金、铜合金等)受到冲击发生塑性变形后不可回复(不可重复使用)的缺点。
技术实现思路
本专利技术的其中一个目的是提供一种可回复式吸能结构，用于解决传统材料受到冲击发生塑性变形后不可回复的缺点。本专利技术的其中一个目的是提供一种可回复式吸能结构，用于解决尖角型弹性连接件存在的应力集中现象，改善结构的力学性能。本专利技术的其中一个目的是提供一种可回复式吸能结构制备方法，用于解决传统工艺制备困难及传统吸能结构不可重复使用的问题。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种可回复式吸能结构，所述结构包括：从上至下依次堆叠的若干层吸能层，每个吸能层均包括若干个吸能单元，所述吸能单元包括：若干个弹性连接件，若干个弹性连接件的上端均与上连接点连接，若干个弹性连接件的下端均与下连接点连接，相邻两个弹性连接件除各自两端之外的部分之间具有间隙，弹性连接件的材料为NiTi合金。其中，本专利技术中NiTi合金为多孔记忆合金，多孔记忆合金减振结构兼具轻质、高比强、弹塑性变形吸能减振、可回复(可重复使用)、耐腐蚀等优点，是外太空探测器减振结构的优选方案。相对于传统材料(钢、铝合金、铜合金等)受到冲击发生塑性变形后不可回复(不可重复使用)的缺点，记忆合金如NiTi二元合金在马氏体状态下受冲击发生塑性变形，通过原位加热(原位电阻加热、电子束加热、光辐照加热等)可回复，解决了外太空着陆器减振结构可重复使用的问题。优选的，部分或全部弹性连接件为圆弧弹性连接件，且圆弧中心位于吸能单元中心侧。优选的，部分或全部弹性连接件为曲线弹性连接件。优选的，若干个弹性连接件均匀分布组成所述吸能单元。优选的，若干个吸能单元均匀分布组成吸能层。优选的，若干个吸能单元平铺组成吸能层。优选的，吸能结构采用3D打印制成。进一步的，本专利技术还提供了一种基于所述的可回复式吸能结构的制备方法，所述方法包括：建立吸能结构模型；将吸能结构模型输入3D打印机，并调整3D打印机相关参数；在3D打印机箱体放入NiTi合金粉，3D打印机预热后进行吸能结构打印；对打印成形的吸能结构进行热处理，调整NiTi合金的M→B2相转变温度。进一步的，NiTi合金粉合金粉化学成分为Ni49％～51％，Ti49％～51％。进一步的，热处理方法包括：1)将打印成形的吸能结构在200～550℃保温1～8h；2)将热处理后的吸能结构进行酸洗。多孔结构的传统制备方法(焊接、编织等)不能保证复杂多孔精细结构的尺寸精度和外形精度。本专利技术利用发展迅速的3D打印技术，选取激光熔化技术具有成形精度高、可打印复杂精细结构、成形效率高、一体化成形等优点，采用3D打印制成的结构克服了传统工艺的相关缺陷。本专利技术中的多孔记忆合金吸能结构及制备方法，解决传统工艺制备困难及传统吸能结构不可重复使用的问题。具体地，本专利技术通过下述技术方案实现：多孔记忆合金吸能结构，采用3D打印技术制备出具有复杂精细结构如环形结构。该结构具有轻质、比强度高、缓解应力集中等优点，既可以起到支撑作用，又可在冲击过程中发生弹塑性变形吸收能量，起到减振作用。更重要的是，当加热到一定温度后(可原位加热，例如对该减振结构施加电流，由于焦耳效应，该减振结构发热升温)，NiTi记忆合金发生M→B2相转变，能够实现形状回复，可重复使用。该记忆合金吸能结构的制备包括建立多孔结构模型、采用NiTi合金粉体进行3D打印、热处理等步骤。进一步地，建立模型与打印过程如下：1)采用UG软件建立一定尺寸要求(结构单元的杆径、结构单元的尺寸)的多孔结构模型，包括二圆环、四圆环结构模型、环形与直线“<”形混合模型等，详见图1-图4。2)将多孔结构模型输入3D打印机的电脑控制部分，调整打印参数(激光功率50～300W，扫描速度500mm/s～1500mm/s，层厚0.02～0.05mm，层间转角67°，扫描间距0.06mm～0.15mm)；合理布局支撑结构，选择在结构单元的部分位置添加支撑结构，以保证成形精度；同时，合理选择支撑样式及支撑的打印参数(功率、扫描速度等)，既保证支撑具有一定强度，又方便后续的支撑去除。3)在打印机箱体放入NiTi合金粉，合金粉化学成分为Ni49％～51％，Ti49％～51％，打印机预热及气氛控制完毕后进行多孔结构的打印。进一步地，打印成形的结构件需要进行热处理，调整NiTi的M→B2相转变温度，具体热处理方法如下：1)将打印成形的NiTi多孔结构在200～550℃保温1～8h；2)将热处理后的机构件在化学试剂(HNO3：HF：H2O＝1:1:2)中酸洗，既可清洗表面氧化层及附着物，又可将支撑结构溶解去除。本专利技术通过理论计算模拟可知，环形结构相对于“<”尖角型结构可大大缓解应力集中现象，采用环形结构替代或半替代“<”尖角型结构可改善结构的力学性能(强度、塑韧性)。同时本专利技术通过大量实验结果证明，3D打印工艺参数与结构的孔隙率、力学性能具有重要匹配关系：一定范围内，打印参数相同时，随着多孔结构孔隙率增加，力学性能呈先上升后降低的趋势；在力学性能相同的条件下，随着孔隙率增加，打印功率降低。热处理工艺参数可调节形状回复的温度范围，具体地，热处理温度越高，保温时间越长，回复温度越高。(其中优化的打印工艺参数：当打印件尺寸相差不大时，打印功率在100～300W，扫描速率在800～1600m/s,层厚0.03～0.04mm范围内，打印件的成形能力较好，力学性能优异。热处理工艺参数：保温温度300～500℃，保温时间1～3h，能量吸收效率高；回复加热温度范围≥80℃均可)。本专利技术提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本专利技术中的吸能结构解决了传统吸能结构不可重复使用的问题，是外太空探测器减振结构的优选方案。本专利技术中的吸能结构，解决了尖角型弹性连接件存在的应力集中现象，改善结构的力学性能。本专利技术中的制备方法能够制备出克重复使用的吸能结构，且制备出的吸能结构具有良好的力学性能，且本制备方法能够兼顾吸能结构的力学性能和制备效率。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定；图1-图4均为吸能结构的模型示意图；图5为<形结构单元力学仿真模型示意图；图6为环形结构单元力学仿真模型示意图；图7为NiTi吸能结构件压缩曲线示意图；图8为热处理前NiTi吸能结构件DSC曲线示意图；...

【技术保护点】
1.一种可回复式吸能结构，其特征在于，所述结构包括：/n从上至下依次堆叠的若干层吸能层，每个吸能层均包括若干个吸能单元，所述吸能单元包括：若干个弹性连接件，若干个弹性连接件的上端均与上连接点连接，若干个弹性连接件的下端均与下连接点连接，相邻两个弹性连接件除各自两端之外的部分之间具有间隙，弹性连接件的材料为NiTi合金。/n

【技术特征摘要】
1.一种可回复式吸能结构，其特征在于，所述结构包括：
从上至下依次堆叠的若干层吸能层，每个吸能层均包括若干个吸能单元，所述吸能单元包括：若干个弹性连接件，若干个弹性连接件的上端均与上连接点连接，若干个弹性连接件的下端均与下连接点连接，相邻两个弹性连接件除各自两端之外的部分之间具有间隙，弹性连接件的材料为NiTi合金。


2.根据权利要求1所述的可回复式吸能结构，其特征在于，部分或全部弹性连接件为圆弧弹性连接件，且圆弧中心位于吸能单元中心侧。


3.根据权利要求1所述的可回复式吸能结构，其特征在于，部分或全部弹性连接件为曲线弹性连接件。


4.根据权利要求1所述的可回复式吸能结构，其特征在于，若干个弹性连接件均匀分布组成所述吸能单元。


5.根据权利要求1所述的可回复式吸能结构，其特征在于，若干个吸能单元均匀分布组成吸能层。


6.根据权利要求1所述的可回复...

【专利技术属性】
技术研发人员：张圣旺，杨琴，陈捷，葛继强，王英英，王国伟，沈显峰，黄姝珂，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51