一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系及制备方法，根据调节假设泊松比与添加桁架方式设计出不同拉胀结构，以3D打印硬质聚乳酸拉胀材料作为增强相，并填充软弹性硅胶材料作为基质，制作出拉胀复合材料，有效提升拉胀材料的刚度、强度、延性和吸能能力，为定制拉胀材料抗压刚度与抗剪刚度提供理论指引，极大拓展了拉胀材料的工程应用前景，能够应用于桥梁伸缩缝、桥梁支座、桥梁防撞墩、汽车防撞装置、精密仪器减振的设计中。精密仪器减振的设计中。精密仪器减振的设计中。

【技术实现步骤摘要】
一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系及制备方法


[0001]本专利技术涉及一种材料科学领域，具体是一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系及制备方法。

技术介绍

[0002]拉胀材料通过巧妙的单元几何编辑和力学指引的空间布置规则，获得材料的优越力学性能，如负泊松比、高比强度、高比刚度、能量吸收、断裂韧性、抗冲击、抗压痕性等，在汽车、航空、材料科学、军事和土木工程等领域具有广泛的应用前景。与常规材料不同，拉胀材料通过先进的几何结构设计即可获得特殊的力学属性，充分发挥材料的利用效率，为材料设计创新和功能探索开拓全新的道路，成为近年来国内外研究的热点。
[0003]现有拉胀材料多数只单方向力学属性研究，如静态压缩、高速冲击、受拉、受弯等(正弦负泊松比多孔蜂窝梁平面内三点弯吸能性能实验研究_郭春霞)，没有关注拉胀材料在受压和受剪的综合力学属性。拉胀材料在受力过程中，由于拉胀材料的多孔特性，材料变形以旋转弯曲为主导，将不可避免地降低材料强度、刚度与能量吸收等力学性能，在压缩过程中容易压溃，发生脆性破坏(内凹三角形负泊松比材料的面内冲击动力学性能_马芳武)，不能反弹而重复使用。鉴于此，研究获得兼具良好抗压、抗剪、延性、能量吸收，可重复使用的拉胀材料，进一步为实际工程应用提供理论指引和实验依据尤为重要。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系及制备方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]本专利技术至少通过如下技术方案之一实现。/>[0006]一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系，包括拉胀复合材料，所述拉胀复合材料以硬质聚乳酸拉胀材料作为增强相，并填充软弹性硅胶材料作为基质，通过几何设计公式得到不同结构的拉胀材料单元。
[0007]进一步地，所述几何设计公式包括：
[0008]θ＝arctan(vl/h)
[0009]B＝(h
‑
l tanθ)/2
[0010]D＝l/(2 cosθ)
[0011]其中h和l是拉胀材料单元高度和长度；v是假设的泊松比；θ表示拉胀材料单元中斜杆的斜角度，B表示拉胀材料单元中竖杆长度；D表示拉胀材料单元中斜杆长度。
[0012]进一步地，通过修改拉胀材料的假设泊松比值，得出不同拉胀复合材料.
[0013]进一步地，当假设泊松比v为负数时，设计出内凹单元；当假设泊松比v为正数时，设计出蜂窝单元。
[0014]进一步地，在内凹单元基础上，使内凹单元外矩形轮廓中心与内凹单元节点位置连接厚度为内凹单元壁厚一半的杆系，形成内凹桁架单元；
[0015]进一步地，在蜂窝单元基础上，使蜂窝单元外矩形轮廓中心与蜂窝单元节点位置连接厚度为蜂窝单元壁厚一半的杆系，形成蜂窝桁架单元。
[0016]进一步地，在内凹单元、内凹桁架单元、蜂窝桁架单元的基础上，通过单元横向纵向阵列，形成不同长度与宽度的内凹平面几何、内凹桁架平面几何、蜂窝平面几何与蜂窝桁架平面几何。
[0017]进一步地，通过面外拉伸，形成不同厚度的内凹立体结构、内凹桁架立体结构、蜂窝立体结构与蜂窝桁架立体结构。
[0018]进一步地，通过修改单元的壁厚调节平面几何的面积和立体结构的体积。
[0019]实现所述的一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系的制备方法，包括以下步骤：
[0020]步骤一、通过3D打印机采用增材制造方式制备相同立体结构的聚乳酸拉胀材料；
[0021]步骤二、根据立体结构尺寸，设计浇筑模具，利用3D打印机采用增材制造的方式制备浇筑模具；
[0022]步骤三、将脱模蜡均匀涂抹至浇筑模具表面；
[0023]步骤四、称取相同的质量的两种胶料，将两种胶料混合在一起搅拌，获得液态硅胶；
[0024]步骤五、先将混合好的液态硅胶倒入模具中，使硅胶达到模具高度一半位置，将拉胀材料压入模具中，使液态硅胶渗入拉胀材料孔隙，之后往拉胀材料的孔隙中继续浇筑液态硅胶，待填充满拉胀材料孔隙，刮平模具表面，形成拉胀复合材料；
[0025]步骤六、将浇筑完的拉胀复合材料，放置在室温环境中24小时，待表面层硅胶固化；
[0026]步骤七、撬开模具表面，取出拉胀复合材料；
[0027]步骤八、脱模后的拉胀复合材料在室温下继续放置，待拉胀材料孔隙中的硅胶完全凝固，获得最终拉胀复合材料。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0029]1、本专利技术巧妙地利用硬质聚乳酸拉胀材料作为增强相，填充不可压缩弹性硅胶基质，形成拉胀复合材料，克服传统拉胀材料由于多孔特性与弯曲变形引起的力学性能降低。
[0030]2、本专利技术通过拉胀材料的假设泊松比设计，定制复合材料的抗压刚度、抗剪刚度、能量吸收等力学属性，为制作适用于复杂力学环境的工程材料提供指引。
[0031]3、本专利技术在常规内凹结构和蜂窝结构的基础上，通过内部添加厚度为基础几何一半的桁架，克服常规拉胀材料在受压、受剪状态下的弯曲失稳和应力集中问题，使拉胀材料的受力更加协调，有效提升了拉胀材料的抗压刚度、抗压强度、抗剪刚度、抗剪强度、能量吸收等力学性能，极大拓展了拉胀材料的工程应用前景。
[0032]4、本专利技术巧妙地将软硬两相材料相结合，即使较硬的拉胀材料发生破坏，由于外部软弹性硅胶包裹，使得拉胀材料能够继续发挥力学增强效果，展现出优越的延性和重复利用性，能够应用于桥梁伸缩缝、桥梁支座、桥梁防撞墩、汽车防撞装置、精密仪器减振的设计中。
附图说明
[0033]图1为实施例一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系的内凹单元、内凹桁架单元、蜂窝单元、蜂窝桁架单元的设计；
[0034]图2为实施例一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系的不同拉胀结构
[0035]图3为实施例一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系的不同拉胀复合材料示意图；
[0036]图4为实施例一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系的制作流程图；
[0037]图5为实施例一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系的剪切有限元模拟变形图；
[0038]图6为实施例一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系的压缩有限元模拟变形图；
[0039]图7为实施例一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系的假设泊松比值从1到
‑
0.8的单元设计形式；
[0040]图8为实施例一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系的不同拉胀复合材料的剪切有限元模拟无量纲化力位移图；
[0041]图9为实施例一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系的不同拉胀复合材料的压缩试验无量纲化力位移图；
[0042]图10为实施例一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系的不同拉胀复合材料的压缩能量吸收值与剪切能量吸收值；
[0043]图11为实施例一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系的蜂窝桁架逐级循环压缩无量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系，其特征在于：包括拉胀复合材料，所述拉胀复合材料以硬质聚乳酸拉胀材料作为增强相，并填充软弹性硅胶材料作为基质，通过几何设计公式得到不同结构的拉胀材料单元。2.根据权利要求1所述的一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系，其特征在于：所述几何设计公式包括：θ＝arctan(vl/h)B＝(h
‑
ltanθ)/2D＝l/(2cosθ)其中h和l是拉胀材料单元高度和长度；v是假设的泊松比；θ表示拉胀材料单元中斜杆的斜角度，B表示拉胀材料单元中竖杆长度；D表示拉胀材料单元中斜杆长度。3.根据权利要求2所述的一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系，其特征在于：通过修改拉胀材料的假设泊松比值，得出不同拉胀复合材料。4.根据权利要求2所述的一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系，其特征在于：当假设泊松比v为负数时，设计出内凹单元；当假设泊松比v为正数时，设计出蜂窝单元。5.根据权利要求4所述的一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系，其特征在于：在内凹单元基础上，使内凹单元外矩形轮廓中心与内凹单元节点位置连接厚度为内凹单元壁厚一半的杆系，形成内凹桁架单元。6.根据权利要求5所述的一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系，其特征在于：在蜂窝单元基础上，使蜂窝单元外矩形轮廓中心与蜂窝单元节点位置连接厚度为蜂窝单元壁厚一半的杆系，形成蜂窝桁架单元。7.根据权利要求6所述的一种具有可定制力学属性的复合材料结构体系，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡楠，李智雄，李峰，刘盼，解兵林，
申请(专利权)人：人工智能与数字经济广东省实验室广州，
类型：发明
国别省市：