一种功能梯度蜂窝结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种功能梯度蜂窝结构及其制备方法，所述蜂窝结构由单胞元通过空间延拓布置形成，所述单胞元在梯度结构面分别沿第一方向和第二方向以周期性或拟周期性延拓布置，所述第一方向与第二方向均在梯度结构面上，且相互垂直；所述单胞元的壁厚在梯度结构面沿一个或多个方向发生梯度变化，所述单胞元在梯度结构面形成二维功能梯度蜂窝结构；所述二维功能梯度蜂窝结构沿与所述梯度结构面垂直的方向拉伸，形成三维功能梯度蜂窝结构。该功能梯度蜂窝结构的物性参数随着空间位置呈现梯度变化，改善了现有梯度结构连接处的结构突变问题，避免了受力时应力突变，自重轻，可设计性强，具有优异的抗冲击和抗爆破能力，并且取材方便，制备简单。制备简单。制备简单。

【技术实现步骤摘要】
一种功能梯度蜂窝结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于工程结构领域，尤其涉及一种功能梯度蜂窝结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着工程技术的迅猛发展，工程师们对改善表面接触损伤方面性能材料与轻量化材料提出了迫切的要求。超轻多孔材料是近年来随着材料制备与机械加工技术的迅速发展而出现的一类新型的多功能材料，尤其多孔蜂窝材料具有高孔隙率，在满足轻量化的结构特征同时还具有高稳定性。功能梯度材料改善表面接触损伤方面的优异性能受到了广泛的关注，功能梯度材料通过改变微观结构的空间变化梯度，使材料的物性参数随空间位置呈梯度变化，可以通过对蜂窝结构的单胞元进行梯度渐变设计使蜂窝结构具有高比强度、高比刚度、高抗弯强度的优点，使得在相同结构承载力作用下可节省大量的材料，大大减轻了结构自重，但是目前的研究多处在实验水平，其推广应用需要更多的应用基础研究以适应各种复杂的使用环境。为解决上述问题，专利技术一种功能梯度蜂窝结构十分必要的。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：本专利技术公开了一种具有功能梯度的蜂窝结构，该蜂窝结构的物性参数如弹性模量、泊松比、单胞元壁厚和密度等随空间位置呈梯度变化。
[0004]技术方案：本专利技术一方面公开了一种功能梯度蜂窝结构，所述蜂窝结构由单胞元通过空间延拓布置形成，所述单胞元在梯度结构面分别沿第一方向和第二方向以周期性或拟周期性延拓布置，所述第一方向与第二方向均在梯度结构面上，且相互垂直；所述单胞元的壁厚在梯度结构面沿一个或多个方向发生梯度变化，所述单胞元在梯度结构面形成二维功能梯度蜂窝结构；所述二维功能梯度蜂窝结构沿与所述梯度结构面垂直的方向拉伸，形成三维功能梯度蜂窝结构。
[0005]进一步地，所述单胞元的制作材料包括但不限于金属、橡胶、混凝土、陶瓷、纤维增强复合材料或3D打印材料。
[0006]进一步地，所述单胞元形状为正多边形。
[0007]进一步地，所述三维功能梯度蜂窝结构孔隙区域填充热固和/或热塑材料。
[0008]进一步地，所述热固或热塑材料为混凝土、水泥浆、塑料。
[0009]进一步地，所述三维功能梯度蜂窝结构与所述梯度结构面垂直的外侧设置有壳体。
[0010]进一步地，所述三维功能梯度蜂窝结构与壳体的连接形式有焊接、粘结、烧结和/或嵌套。
[0011]本专利技术还公开了一种分段的功能梯度蜂窝结构，包括多个节段，所述多个节段沿轴向拼接，每个节段为上述的功能梯度蜂窝结构，由此构成多级多段不同功能梯度形式蜂窝结构组合形成的混合功能梯度蜂窝结构。
[0012]另一方面，本专利技术还公开了上述功能梯度蜂窝结构的制备方法，包括步骤：
[0013]S1、将单胞元在梯度结构面分别沿第一方向和第二方向以周期性或拟周期性延拓布置，所述第一方向与第二方向均在梯度结构面上，且相互垂直；所述单胞元的壁厚在梯度结构面沿一个或多个方向发生梯度变化，所述单胞元在梯度结构面形成二维功能梯度蜂窝结构；
[0014]S2、将所述二维功能梯度蜂窝结构沿与所述梯度结构面垂直的方向拉伸，形成三维功能梯度蜂窝结构。
[0015]有益效果：本专利技术公开的功能梯度的蜂窝结构及其制备方法，实现的蜂窝结构具备了梯度功能，获得了具有功能梯度的蜂窝结构，这种具有梯度功能的蜂窝结构通过胞元微观结构空间上的变化，使结构宏观上的弹性模量、泊松比和密度等在空间位置上呈现梯度变化，改善了现有梯度结构连接处的结构突变问题，兼具自重轻，可设计性强，具有优异的抗冲击和抗爆破能力，并且取材方便，制作方法可行，在军事、土木工程、机械制造、安全防护等领域应用前景十分可观。
附图说明
[0016]图1为实施例1的竖向递增型功能梯度蜂窝结构示意图；
[0017]图2为实施例2的竖向递减型功能梯度蜂窝结构示意图；
[0018]图3为实施例3的竖向双梯度功能梯度蜂窝结构Ⅰ型示意图；
[0019]图4为实施例4的竖向双梯度功能梯度蜂窝结构Ⅱ型示意图；
[0020]图5为实施例5的径向递增型功能梯度蜂窝结构示意图；
[0021]图6为实施例6的径向递减型功能梯度蜂窝结构示意图；
[0022]图7为实施例7的分段功能梯度蜂窝结构Ⅰ型示意图；
[0023]图8为实施例8的分段功能梯度蜂窝结构Ⅱ型示意图；
[0024]图9为实施例9的混凝土填充竖向递增型功能梯度蜂窝结构示意图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本专利技术，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。
[0026]本专利技术公开了一种功能梯度蜂窝结构，如图1所示，所述蜂窝结构由单胞元1通过空间延拓布置形成，所述单胞元在梯度结构面(图1中的xy面)分别沿第一方向(x方向)和第二方向(y方向)以周期性或拟周期性延拓布置，所述第一方向和第二方向垂直；所述单胞元的壁厚在梯度结构面沿一个或多个方向发生梯度变化，图1中为沿纵向即x方向变化，所述单胞元在梯度结构面形成二维功能梯度蜂窝结构2；所述二维功能梯度蜂窝结构沿与所述梯度结构面垂直的方向拉伸，即沿z方向拉伸，形成三维功能梯度蜂窝结构3。
[0027]单胞元1的形状可以是正六边形、正三角形等正多边形。
[0028]上述功能梯度蜂窝结构的制备方法包括步骤：
[0029]S1、将单胞元在梯度结构面分别沿第一方向和第二方向以周期性或拟周期性延拓布置，所述第一方向与第二方向均在梯度结构面上，且相互垂直；所述单胞元的壁厚在梯度结构面沿一个或多个方向发生梯度变化，所述单胞元在梯度结构面形成二维功能梯度蜂窝结构；
[0030]S2、将所述二维功能梯度蜂窝结构沿与所述梯度结构面垂直的方向拉伸，形成三维功能梯度蜂窝结构。
[0031]下面结合附图，通过实施例对本专利技术作进一步详细说明。
[0032]实施例1：
[0033](1)如图1所示，本实施例为竖向递增型功能梯度蜂窝结构，由正六边形单胞元1通过空间延拓布置，在梯度结构面，即xy面，形成二维功能梯度蜂窝结构2，在该延拓布置过程中，胞元的壁厚沿着x方向由上向下发生梯度递增变化；
[0034](2)将二维功能梯度蜂窝结构沿着z轴方向拉伸，形成竖向递增型三维功能梯度蜂窝结构3。在三维功能梯度蜂窝结构的xz面、yz面的外侧设置壳体4。
[0035]实施例2：
[0036]本实施例与实施例1的区别在于，胞元的壁厚沿着x方向由上向下发生梯度递减变化。
[0037](1)如图2所示，本实施例为竖向递减型功能梯度蜂窝结构，由正六边形单胞元通过空间延拓布置，在梯度结构面，即xy面，形成二维功能梯度蜂窝结构，在该延拓布置过程中，胞元的壁厚沿着x方向由上向下发生梯度递减变化；
[0038](2)将二维功能梯度蜂窝结构沿着z轴方向拉伸，形成竖向递减型功能梯度蜂窝结构。同样地在三维功能梯度蜂窝结构的xz面、yz面的外侧设置壳体。
[0039]实施例3：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功能梯度蜂窝结构，其特征在于：所述蜂窝结构由单胞元(1)通过空间延拓布置形成，所述单胞元在梯度结构面分别沿第一方向和第二方向以周期性或拟周期性延拓布置，所述第一方向与第二方向均在梯度结构面上，且相互垂直；所述单胞元的壁厚在梯度结构面沿一个或多个方向发生梯度变化，所述单胞元在梯度结构面形成二维功能梯度蜂窝结构(2)；所述二维功能梯度蜂窝结构沿与所述梯度结构面垂直的方向拉伸，形成三维功能梯度蜂窝结构(3)。2.根据权利要求1所述的功能梯度蜂窝结构，其特征在于：所述单胞元的制作材料包括但不限于金属、橡胶、混凝土、陶瓷、纤维增强复合材料或3D打印材料。3.根据权利要求1所述的功能梯度蜂窝结构，其特征在于：所述单胞元形状为正多边形。4.根据权利要求1所述的功能梯度蜂窝结构，其特征在于：所述三维功能梯度蜂窝结构孔隙(5)内的区域填充热固和/或热塑材料。5.根据权利要求4所述的功能梯度蜂窝结构，其特征在于：所述热固或热塑材料为混凝土、水泥浆、塑料。6.根据权利要求1所述的功能梯度蜂窝结构，其特征在于：所述三...

【专利技术属性】
技术研发人员：年玉泽，万水，潘志宏，李雪峰，李书利，岳汝，吕德堡，吴志强，张军学，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：