CN106739193B - 一种仿生轻质高强耐热冲击复合结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生轻质高强耐热冲击复合结构，本发明是基于枪虾螯部断层功能结构特征，其包含外部保护层、竖向仿生隔热抗压层、仿生止裂层、横向仿生支撑层。外部保护层为致密的硬质整体结构，能够有效保护各层结构，同时起到防水作用。仿生隔热抗压层由多空腔的栅格层构成，具有很强的抗压性能，并有效阻隔环境热量，减轻整体重量。仿生止裂层由若干交错堆砌结构单元构成，有效阻止了整体结构的断裂。仿生支撑层由质量轻、刚度大的碳纤维复合材料制作，多单元叠加使其有良好的支撑性能。本发明保证了其同时具备轻质高强耐热冲击并抵抗裂纹扩展的功能。本发明可以广泛应用在深空、深海等极端环境探测领域。
Description
技术领域
本发明涉及仿生结构工程技术领域，具体涉及一种仿枪虾螯部断层结构的轻质高强耐热冲击复合结构。
背景技术
近年来，随着深空、深海、深地等极端环境探测领域的快速发展，高端设备中的关键部件，如发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等，迫切需求该类部件兼具轻质、高强特征且耐热冲击、抵抗断裂破坏等性能，这也已成为国内外学者广泛关注的研究热点。但是，目前应用在该领域的相关关键部件多数仅具有轻质高强特性而普遍存在耐热冲击性能差的缺陷，由此已经成为此类装备发展的瓶颈。
而自然界的生物为这一问题的解决提供了新思路。生活在海洋中的枪虾，可以通过快速闭合螯部，产生空化气泡将猎物瞬间击晕或击毙。研究表明，当枪虾瞬间快速闭合螯部发动攻击时，会冲击周边的水体产生气泡。这些气泡在周围水体的压力下距离螯部尖端约3mm处发生瞬间爆裂，产生空穴现象，进而产生4500-4700℃的高温。螯部在水中的快速闭合运动要求其具备轻质和高强的特性，而空穴现象产生的瞬间高温则要求螯部具有耐热冲击的功能。由此，枪虾螯部的生物结构为设计一种兼具轻质高强耐热冲击功能特征的仿生复合结构提供了天然的生物蓝本。
试验观察发现，枪虾螯部断层大致可分为四层，从外到内分别是最外层的矿化层，第二层的竖向片层复合结构，第三层螺旋夹板层，第四层的横向层状结构。这四层结构不同，厚度各异，功能也不同。作为直接接触外部环境的最外部的硬质矿化层具有抵抗外部机械冲击，保护内部结构的作用；第二层由大量竖向纤维片层组成，片层间构成空腔，这种结构不仅显著减轻了整体重量，还使其具备了较强的抗压性能，同时还有效阻隔热量的传递。第三层为螺旋夹板层，由若干个纤维束单元交错堆砌而成，这种交错堆砌结构有效造成裂纹偏转进而阻断裂纹的扩展，提高了止裂性能。第四层为多薄层叠加而形成的横向复合层状结构，层层叠加使第四层整体具备了足够的竖向刚度。因此，枪虾螯部这种优化的断层结构为其适应于快速闭合运动、承受机械冲击与热冲击的捕食运动模式提供了有效保障。
综观上述极端工作环境下结构构件的研究现状，以及枪虾螯部断层的特殊生物结构功能特征，急需一种仿生轻质高强耐热冲击的复合结构。
发明内容
本发明的目的是为了解决当今工作在极端环境下的设备，其相关关键部件多数仅具有轻质高强特性而普遍存在耐热冲击性能差的缺陷，而提供一种仿生轻质高强耐热冲击复合结构。
本发明包含外部保护层、竖向仿生隔热抗压层、仿生止裂层、横向仿生支撑层。外部保护层、竖向仿生隔热抗压层、仿生止裂层、横向仿生支撑层依次粘合在一起，并且外部保护层、竖向仿生隔热抗压层、仿生止裂层、横向仿生支撑层的厚度比为1:6:6:1。
所述的外部保护层为致密的整体结构，能够有效保护各层结构，同时起到防水作用。
所述的竖向仿生隔热抗压层由若干个竖向仿生栅格层叠加粘合而成，竖向仿生栅格层这种多空腔的栅格结构，具有很强的抗压性能，同时可以有效阻隔环境热量。由于空腔结构的存在，使竖向仿生栅格层质量较轻。这里，竖向仿生栅格层的单个栅格结构宽度与相邻空腔的宽度比例为1：1，竖向仿生栅格层的单个栅格结构长度和竖向仿生栅格层的单个栅格结构宽度比为2：1。
所述的仿生止裂层由若干个仿生止裂层构成单元逐层排列粘合而成，仿生止裂层中的每一层均由仿生止裂层构成单元依次排列构成，并且仿生止裂层中的每一层中的仿生止裂层构成单元排列方式相同，并相对于下面一层中的仿生止裂层构成单元在法线方向旋转了一定角度，这里，旋转的角度范围为15°-45°。这种单个单元的交错堆砌结构可以有效的阻止整体结构的断裂。
所述的横向仿生支撑层由若干个横向仿生支撑层构成单元逐层粘合而成，横向仿生支撑层构成单元由质量轻、刚度大的碳纤维复合材料制作，多个横向仿生支撑层构成单元叠加在一起，使横向仿生支撑层拥有良好的支撑性能，使整个复合结构的力学性能更加完善。
本发明的工作过程和原理：
在具体的实施过程中，外部保护层作为直接接触外部环境的部分，对复合结构起到直接的防护作用，竖向仿生隔热抗压层因其具有独特的竖向栅格层可以有效抵抗压力载荷，同时起到隔热作用，当机械冲击载荷或热载荷过大时，复合结构内部有可能产生局部疲劳裂纹，仿生止裂层具有独立仿生止裂层构成单元，并且独立仿生止裂层构成单元的交错堆砌结构使裂纹发生偏转，有效抑制裂纹扩展，避免复合结构的连续断裂。横向仿生支撑层由若干刚度较大的仿生支撑层构成单元叠加组成，起到良好的支撑作用。这里外部保护层、竖向仿生隔热抗压层、仿生止裂层、横向仿生支撑层的结构、作用均不相同，这种仿生多层复合结构保证了复合结构同时具备轻质高强耐热冲击并抵抗裂纹扩展的防护功能。
本发明的有益效果：
1、本发明以轻质高强耐热冲击性能良好的枪虾螯部为仿生原型，根据其螯部断层结构进行仿生设计，本发明可以同时具有轻质高强耐热冲击能力强的功能特征。
2、本发明独特的仿生止裂层设计可以有效阻断复合结构内由于热疲劳和机械载荷作用而产生的裂纹扩展，进而提高了结构抵抗断裂破坏的能力。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图。
图2为图1的主视图。
图3为竖向仿生栅格层局部视图。
图4为仿生止裂层的结构示意图。
图5为图4的俯视图。
图6为横向仿生支撑层的局部视图。
其中：1-外部保护层；2-竖向仿生隔热抗压层；201-竖向仿生栅格层；202-单个栅格结构宽度；203-单个栅格结构长度；204-相邻空腔间隔宽度；3-仿生止裂层；301-仿生止裂层构成单元；4-横向仿生支撑层；401-横向仿生支撑层构成单元。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4、图5及图6所示，本实施例包含外部保护层1、竖向仿生隔热抗压层2、仿生止裂层3和横向仿生支撑层4，外部保护层1、竖向仿生隔热抗压层2、仿生止裂层3、横向仿生支撑层4依次粘合在一起，并且外部保护层1、竖向仿生隔热抗压层2、仿生止裂层3、横向仿生支撑层4的厚度比为1:6:6:1。
所述的外部保护层1为致密的硬质整体结构，能够有效保护各层结构，同时起到防水作用。
所述的竖向仿生隔热抗压层2由若干个竖向仿生栅格层201叠加粘合而成，竖向仿生栅格层201是由竖向仿生栅格层201这种多空腔的栅格结构，具有很强的抗压性能，同时可以有效阻隔环境热量。由于空腔结构的存在，使竖向仿生栅格层201质量较轻。这里，单个竖向仿生栅格层201的单个栅格结构宽度202与相邻空腔间隔宽度204比例为1：1，竖向仿生栅格层201的单个栅格结构长度203和竖向仿生栅格层201的单个栅格结构宽度202比为2：1。
所述的仿生止裂层3由若干个仿生止裂层构成单元301逐层排列粘合而成，如图4、图5所示，仿生止裂层3中的每一层均由仿生止裂层构成单元301依次排列构成，并且仿生止裂层3中的每一层中的仿生止裂层构成单元301排列方式相同，并相对于下面一层中的仿生止裂层构成单元301在法线方向旋转了一定角度，这里，旋转的角度范围为15°-45°。这种单个单元的交错堆砌结构可以有效阻止整体结构的断裂。
所述的横向仿生支撑层4由若干个横向仿生支撑层构成单元401逐层粘合而成，如图6所示，横向仿生支撑层构成单元401由质量轻、刚度大的碳纤维复合材料制作，多个横向仿生支撑层构成单元401叠加在一起，使横向仿生支撑层4拥有良好的支撑性能，使整个复合结构的力学性能更加完善。
在具体的实施过程中，外部保护层1作为直接接触外部环境的部分，对复合结构起到直接的防护作用，竖向仿生隔热抗压层2因其具有独特的竖向栅格层201可以有效抵抗压力载荷，同时起到隔热作用，当机械冲击载荷或热载荷过大时，复合结构内部有可能产生局部疲劳裂纹，仿生止裂层3具有独立仿生止裂层构成单元301，并且独立仿生止裂层构成单元301的交错堆砌结构使裂纹发生偏转，有效抑制裂纹扩展，避免复合结构的连续断裂。横向仿生支撑层4由若干刚度较大的仿生支撑层构成单元401叠加组成，起到良好的支撑作用。这里外部保护层1、竖向仿生隔热抗压层2、仿生止裂层3、横向仿生支撑层4的结构、作用均不相同，这种仿生多层复合结构保证了复合结构同时具备轻质高强耐热冲击并抵抗裂纹扩展的防护功能。
Claims (4)
1.一种仿生轻质高强耐热冲击复合结构，其特征在于：包含外部保护层(1)、竖向仿生隔热抗压层(2)、仿生止裂层(3)和横向仿生支撑层(4)；外部保护层(1)、竖向仿生隔热抗压层(2)、仿生止裂层(3)和横向仿生支撑层(4)依次粘合在一起；
所述的竖向仿生隔热抗压层(2)由若干个竖向仿生栅格层(201)叠加粘合而成；
所述的仿生止裂层(3)由若干个仿生止裂层构成单元(301)逐层排列粘合而成；仿生止裂层(3)中的每一层均由仿生止裂层构成单元(301)依次排列构成，并且仿生止裂层(3)中的每一层中的仿生止裂层构成单元(301)排列方式相同，并相对于下面一层中的仿生止裂层构成单元(301)在法线方向旋转了角度，旋转的角度范围为15°-45°；
所述的横向仿生支撑层(4)由若干个横向仿生支撑层构成单元(401)逐层粘合而成，横向仿生支撑层构成单元由碳纤维复合材料制作。
2.根据权利要求1所述的一种仿生轻质高强耐热冲击复合结构，其特征在于：所述的外部保护层(1)、竖向仿生隔热抗压层(2)、仿生止裂层(3)和横向仿生支撑层(4)的厚度比为1:6:6:1。
3.根据权利要求1所述的一种仿生轻质高强耐热冲击复合结构，其特征在于：
所述的外部保护层(1)为致密的硬质整体结构。
4.根据权利要求1所述的一种仿生轻质高强耐热冲击复合结构，其特征在于：所述竖向仿生栅格层(201)的单个栅格结构宽度(202)与相邻空腔间隔宽度(204)比例为1：1，竖向仿生栅格层(201)的单个栅格结构长度(203)和竖向仿生栅格层(201)的单个栅格结构宽度(202)比为2：1。
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