【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及抗冲击吸能材料制备，具体涉及一种相对密度分布可控的闭孔泡沫金属及其制备方法。
技术介绍
1、抗冲击吸能材料可以降低冲击载荷的幅值，延长冲击载荷的作用时间，从而有效地保护交通运输工具的结构与乘员，因此，被广泛应用于冲击防护和能量吸收领域。泡沫材料作为抗冲击吸能材料中应用最广泛的代表，备受工程技术人员与科研工作者的青睐，泡沫材料可分为开孔泡沫和闭孔泡沫，其中，闭孔泡沫在冲击载荷作用下的变形模式更为复杂，因此，在能量吸收领域应用更为广泛，而影响闭孔泡沫力学特性最重要的材料参数便是相对密度，即闭孔泡沫密度与形成泡沫的基体材料密度之比。传统的熔体发泡法制备的闭孔泡沫具有均匀的相对密度分布，然而，此类均匀泡沫在冲击载荷作用下，材料冲击端和支撑端的力学响应，无法根据特定的抗冲击防护需求进行针对性的调节，因此，研究人员通过调整凝固顺序，设计了相对密度分布不断变化的梯度泡沫，但是，使用熔体发泡法制备的梯度泡沫只可以实现趋势上的梯度变化，无法按照事先设计的分布函数进行试样制备。近期出现的通过voronoi泡沫模型结合增材制造技术的方法可以克服这一问题，实现分布函数可控的闭孔泡沫制备，然而，此种方法使用熔融成丝制造的增材制造技术，只可以制备聚合物基材的闭孔泡沫，聚合物的比强度和比刚度普遍低于金属材料，因此，此类样品偏向于对于闭孔泡沫力学问题的基础研究，而对于实际应用于抗冲击防护的工程问题，相对密度分布可控的闭孔泡沫金属十分必要。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提
2、本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种相对密度分布可控的闭孔泡沫金属的制备方法，依次包括以下步骤：
3、(1)建立相对密度符合特定分布函数的闭孔泡沫的片体几何模型；
4、(2)将步骤(1)得到的片体几何模型中的每一个胞壁在形心位置处打孔；
5、(3)通过细观有限元仿真确定步骤(2)打孔的直径大小；
6、(4)赋予片体几何模型中的每一个胞壁特定的厚度，形成实体几何模型；
7、(5)对步骤(4)得到的实体几何模型进行切片处理，进行增材制造试样制备，制得试样，即相对密度分布可控的闭孔泡沫金属。
8、在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进：
9、进一步，步骤(1)中，使用voronoi建模方法建立特定分布函数。
10、进一步，voronoi建模方法包括以下步骤：
11、(1.1)设置一定体积的三维空间，依次不断地向该三维空间内添加胞元核心点，同时满足新添加的核心点与已有的所有核心点的距离≥设定值，令设定值为三维坐标的函数，使得核心点分布符合特定分布函数；
12、(1.2)当无法在上述三维空间内继续添加核心点时，所有核心点以相同的膨胀速率向外扩展，在所有相邻核心点的胞壁重合后，扩展过程结束；
13、(1.3)在已经膨胀结束的三维空间内截取所需的三维体积，得到闭孔泡沫的片体几何模型。
14、进一步，步骤(1.1)中，三维空间为150mm×150mm×300mm的立方体。
15、进一步，步骤(1.1)中，特定分布函数为沿着三维空间高度方向，胞元尺寸从8mm到16mm线性变化的梯度函数。
16、进一步，步骤(1.1)中，特定分布函数为s＝8+8×h/h；式中，s为胞元尺寸，h为沿着高度方向的坐标值，h为立方体的总高度值。
17、进一步，步骤(1.3)中，闭孔泡沫的片体几何模型为直径80mm、高120mm的圆柱体。
18、进一步，步骤(2)中，通过以下方法打孔：统计闭孔泡沫的片体几何模型中每一个胞壁的形心位置，以形心为圆心，d为直径，在所有胞壁的形心位置处打孔。
19、进一步，步骤(3)中，通过以下方法确定打孔的直径大小：分别对步骤(1)中片体几何模型和步骤(2)中的打孔片体几何模型进行二维网格划分，在有限元软件中导入闭孔泡沫的网格模型，令闭孔泡沫的网格模型置于两个相互平行的刚体之间，提交有限元模型，进行细观有限元仿真计算，统计打孔前后闭孔泡沫应力应变曲线，进一步计算曲线对应的比吸能，当打孔模型与完整模型的比吸能比＞98％时，此时对应打孔直径大小可被接受，否则重复步骤(2)和(3)，调整打孔直径d。
20、进一步，步骤(3)中，打孔直径为0.8mm。
21、进一步，步骤(4)中，通过以下方法赋予片体几何模型中的每一个胞壁特定的厚度：沿着胞壁平面的法向，使胞壁的厚度拉伸指定距离。
22、进一步，步骤(4)中，厚度为0.5mm。
23、进一步，步骤(5)中，将步骤(4)形成的实体几何模型导入增材制造切片软件中，对模型进行逐层切片处理，导出切片后的模型，导入金属增材制造设备，进行试样制备，即得到相对密度分布可控的闭孔泡沫金属。
24、进一步，试样制备的基体材料为alsi10mg铝合金、钛合金、铝合金、铜合金、钨合金、不锈钢、高强钢或模具钢过高温合金。
25、进一步，试样制备的基体材料为alsi10mg铝合金。
26、进一步，步骤(5)后还包括步骤(6)，对步骤(5)制备的试样进行力学性能测试，检验力学响应满足设计要求。
27、进一步，步骤(6)中，将增材制造制备的试样进行准静态力学加载实验，获取对应的力学响应，通过数据处理，获得应力应变曲线，并且与细观有限元仿真的结果进行对比，进行力学性能测试。
28、本专利技术还提供上述方法制得的相对密度分布可控的闭孔泡沫金属。
29、本专利技术具有以下有益效果：
30、1、受限于增材制造工艺逐层成型的特点，以往增材制造工艺结合泡沫模型的方法只可实现闭孔泡沫非金属和开孔泡沫金属的制备，本专利技术可实现闭孔泡沫金属的制备，克服了当前局限性。
31、2、传统制备泡沫材料的熔体发泡工艺中无法定量控制相对密度分布，本专利技术所制备的闭孔泡沫金属相对密度分布可符合预先给定的分布函数，从而获得人为期望的应力应变曲线。
32、3、本专利技术所制备的闭孔泡沫金属，不局限于特定类型的金属基体材料，可用于选择性激光熔化增材制造工艺的金属材料均可应用于本专利技术。
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1.一种相对密度分布可控的闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的相对密度分布可控的闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，使用Voronoi建模方法建立特定分布函数。
3.根据权利要求2所述的相对密度分布可控的闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于，Voronoi建模方法包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的相对密度分布可控的闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于，步骤(1.1)中，三维空间为150mm×150mm×300mm的立方体。
5.根据权利要求3所述的相对密度分布可控的闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于，步骤(1.1)中，特定分布函数为沿着三维空间高度方向，胞元尺寸从8mm到16mm线性变化的梯度函数。
6.根据权利要求1所述的相对密度分布可控的闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于，步骤(1.3)中，闭孔泡沫的片体几何模型为直径80mm、高120mm的圆柱体。
7.根据权利要求1所述的相对密度分布可控的闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，通过
8.根据权利要求1所述的相对密度分布可控的闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，通过以下方法赋予片体几何模型中的每一个胞壁特定的厚度：沿着胞壁平面的法向，使胞壁的厚度拉伸指定距离。
9.根据权利要求1所述的相对密度分布可控的闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于，步骤(5)后还包括步骤(6)，对步骤(5)制备的试样进行力学性能测试，检验力学响应满足设计要求。
10.权利要求1-9任一项所述的相对密度分布可控的闭孔泡沫金属的制备方法制得的相对密度分布可控的闭孔泡沫金属。
...【技术特征摘要】
1.一种相对密度分布可控的闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的相对密度分布可控的闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，使用voronoi建模方法建立特定分布函数。
3.根据权利要求2所述的相对密度分布可控的闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于，voronoi建模方法包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的相对密度分布可控的闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于，步骤(1.1)中，三维空间为150mm×150mm×300mm的立方体。
5.根据权利要求3所述的相对密度分布可控的闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于，步骤(1.1)中，特定分布函数为沿着三维空间高度方向，胞元尺寸从8mm到16mm线性变化的梯度函数。
6.根据权利要求1所述的相对密度分布可控的闭孔泡沫金属的制备方法，其特征在于，步骤(1.3)中，闭孔泡沫的片体几何模型为直径80mm、高120mm的圆柱体。
7.根据权利要求1所述的相对密度分布可控的闭孔泡沫金属的制备方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：段宇，赵先航，杨璐，陈小鹏，杜冰，崔泽森，张超，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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