CN107498934B - 一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料及其制作方法，其中，该超材料包括多个呈阵列排布的单层机械超材料，相邻两单层机械超材料镜像设置并通过硬质隔板固定连接；其中，单层机械超材料包括沿长度方向并排设置有多个独立的卡扣槽的基体，相邻两卡扣槽之间在基体上形成柔性的连接梁；卡扣槽包括相互之间配合并相隔固定距离的卡扣和卡槽；单层机械超材料采用柔性弹性体制造而成；单层机械超材料包括卡扣与卡槽分离的第一稳定状态和卡扣与卡槽结合的第二稳定状态；当外界施加的载荷达到机械能吸收的最大值时，单层机械超材料能够从第一稳定状态切换到第二稳定状态；当再施加相反方向的载荷时单层机械超材料能恢复到第一稳定状态。

Description

一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料及其制作方法

技术领域

本发明属于机械能吸收领域，尤其涉及一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料及其制作方法。

背景技术

在工程事故中，常用的防撞击方法都是通过金属、塑料、陶瓷等材料的破坏性形变来吸收机械能，从而减少事故造成的损失，保护当事人或精密仪器的安全，例如汽车保险杠、高速公路上经常使用到的防撞护栏等。然而，这些方法都不具备可重复利用性，而且这些机械能吸收结构一旦制作好之后，它们所具备的机械能吸收性能就已经固定，不具备可调性，从而限制了它们的应用领域，工程使用成本较大。尤其是在事故频发的场合，需要经常更换坏掉的防撞组件，不仅造成很大浪费，而且操作复杂，耗时耗力。因此，设计出一种可重复利用、性能可调、操作便捷、制作成本低的新型防撞吸能结构材料迫在眉睫。

机械超材料是一种人造结构材料，具有周期性的单元，这些单元结构的尺寸是特殊设计的，从而获得自然界材料通常不具备的奇异力学性能，如负泊松比、负热膨胀、单向传播特性、非线性机械特性等。这些奇异的力学性能是来自其结构的特征，而不是组成它的材料本身。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料及其制作方法，采用由柔性弹性体材料制作而成的卡扣和卡槽结构构成机械超材料，得到的机械能吸收超材料具有力学性能可调、易于制备、造价低、可重复利用等优点。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料，其特征在于，该超材料包括多个呈阵列排布的单层机械超材料，相邻两所述单层机械超材料镜像设置并通过硬质隔板固定连接；其中，所述单层机械超材料包括基体，所述基体上沿其长度方向并排设置多个独立的卡扣槽，相邻两所述卡扣槽之间在所述基体上形成柔性的连接梁；所述卡扣槽包括卡扣和卡槽，且所述卡扣和卡槽之间相互配合并相隔固定的距离；所述单层机械超材料采用柔性弹性体制造而成；所述单层机械超材料包括所述卡扣与所述卡槽分离的第一稳定状态和所述卡扣与所述卡槽结合的第二稳定状态；当外界施加的载荷达到机械能吸收的最大值时，所述单层机械超材料能够从所述第一稳定状态切换到所述第二稳定状态；当载荷撤去后，所述单层机械超材料依然保持所述第二稳定状态；当再施加相反方向的载荷时所述单层机械超材料能恢复到所述第一稳定状态。

所述单层机械超材料能够吸收的机械能由所述卡扣和卡槽之间的开口宽度比例、进出角度和摩擦系数决定。

所述柔性弹性体由本体和交联剂两种组分构成；所述本体与交联剂的配比中，所述交联剂的比例越大，固化后得到的所述柔性弹性体的弹性模量越大。

通过表面润滑处理能够对所述卡扣和卡槽之间的摩擦系数进行调节。

一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料的制作方法，包括以下步骤：

1)根据单层机械超材料需要吸收的机械能量级，对单层机械超材料的尺寸参数进行设计，包括卡扣和卡槽的开口宽度比例和进出角度；然后反推出单层机械超材料模具的结构；

2)根据步骤1)确定的单层机械超材料模具的结构，制备单层机械超材料模具；

3)根据单层机械超材料需要的弹性模量确定柔性弹性体的本体与交联剂的配比比例，然后将组成柔性弹性体的组分按照确定的比例搅拌均匀，倒入单层机械超材料模具中，然后烘干固化；

4)固化后，将柔性弹性体模型脱模，得到所制备的单层机械超材料；

5)将单层机械超材料以镜像对称的方式，粘在硬质隔板的两侧，以此类推，得到阵列排布结构的单层机械超材料阵列；

6)采用润滑剂对卡扣和卡槽进行表面处理，改变卡扣和卡槽之间的摩擦系数，实现机械超材料吸能特性的调节，最终得到基于卡扣结构的机械能吸收超材料。

所述步骤1)中，采用三维建模软件对单层机械超材料的结构尺寸参数进行设计和反推单层机械超材料模具结构。

所述步骤2)中，采用3D打印的方法制作单层机械超材料模具。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料及其制作方法，基于机械超材料的设计思路，通过采用由柔性弹性体材料制作而成的卡扣和卡槽结构构成机械超材料，当外力作用在该机械超材料上时，卡扣和卡槽结构可以在两种稳定状态之间进行切换，从而将一定的机械能储存在弹性吸收体中；而当反方向的力施加在机械超材料上时，则可以使卡扣和卡槽结构从第二稳定状态恢复到第一稳定状态，从而具有可重复利用的特点。2、本发明的一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料及其制作方法，其机械能吸收特性与卡扣和卡槽的尺寸参数有关，通过调节卡扣和卡槽的进出角度和开口比例，实现机械能吸收超材料力学性能的调节，可以根据需求设计出具有不同吸能特性的机械能吸收超材料，从而具有力学性能可调控的特点。3、本发明的一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料及其制作方法，其机械能吸收特性还与卡扣和卡槽之间的摩擦系数紧密相关，可以通过对卡扣和卡槽进行表面润滑处理，调节卡扣和卡槽之间的摩擦系数，从而大幅调节机械能吸收超材料对机械能的吸收性能，使得具有同样尺寸参数的结构，可以具备不同的机械能吸收特性。4、本发明的一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料及其制作方法，可以广泛应用于在意外事故中对人身和仪器提供防护，为实现可重复利用、可调控的能量吸收结构提供了一种新的设计方法；此外，这种结构还为可压缩器件的研究奠定了基础，如果制造精度达到一定程度，可以采用这种结构材料实现能够被极大程度压缩的器件，从而降低他们的运输成本。

附图说明

图1是本发明的机械能吸收超材料的结构示意图；

图2是本发明的单层机械超材料的结构示意图；

图3是本发明的单层机械超材料模具的结构示意图；

图4是卡扣和卡槽之间摩擦系数取不同值时机械能吸收超材料的力-位移曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1和图2所示，基于机械超材料的设计思路，本发明提供的一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料，其包括多个呈阵列排布的单层机械超材料1，相邻两单层机械超材料1镜像设置并通过硬质隔板2固定连接。其中，单层机械超材料1包括矩形长条状的基体11，基体11上沿其长度方向并排设置有多个独立的卡扣槽12，相邻两卡扣槽12之间在基体11上形成柔性的连接梁13；每一卡扣槽12包括卡扣14和卡槽15，且卡扣14和卡槽15之间相互配合并相隔固定的距离；同时，单层机械超材料1采用柔性弹性体制造而成。

采用这种结构的单层机械超材料1具有两个稳定状态：卡扣14与卡槽15分离的第一稳定状态和卡扣14与卡槽15结合的第二稳定状态。初始的单层机械超材料1处于第一稳定状态；当外界施加的载荷达到一定阈值的时候，单层机械超材料1的卡扣14与卡槽15结合，从而单层机械超材料1从第一稳定状态切换到第二稳定状态；当载荷撤去后，单层机械超材料1依然保持第二稳定状态。这种稳定状态之间的切换是可逆的，单层机械超材料1可以在施加相反方向的载荷时恢复到初始的第一稳定状态，从而实现重复利用。单层机械超材料1从初始的第一稳定状态切换到第二稳定状态的过程中可以吸收机械能，从而可以在意外事故中对人身和仪器起到防护作用。

上述实施例中，单层机械超材料1的尺寸参数根据所需要吸收的机械能大小设计。单层机械超材料1吸收的机械能由卡扣14和卡槽15结构的开口宽度比例、摩擦系数和进出角度决定，因此，可以通过调节卡扣14和卡槽15的几何尺寸实现对机械能吸收超材料的机械能吸收性能的调节。卡扣14和卡槽15的尺寸可以在很宽的范围内调节，从而得到具有不同机械能吸收性能的机械超材料，以应用于不同场合对能量吸收的要求。

上述实施例中，单层机械超材料1采用柔性弹性体的混合液体作为介质制成；其中，柔性弹性体由本体和交联剂两种组分构成。本体与交联剂的配比可以调节，交联剂比例越大，固化后所得到的柔性单元体的弹性模量越大，即单层机械超材料的弹性模量越大。将柔性弹性体的本体与交联剂的配比在一定范围内调节，从而可以获得具有不同弹性模量的弹性体材料。

上述实施例中，还可以通过表面润滑处理对卡扣14和卡槽15之间的摩擦系数进行调节，从而大幅度调节机械能吸收超材料对机械能的吸收性能，使得具有同样尺寸参数的结构可以具备不同的机械能吸收特性，获得不同机械能吸收等级的机械能吸收超材料。

本发明提供的一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料的制作方法，具体包括以下步骤：

1)根据单层机械超材料1需要吸收的机械能量级，对单层机械超材料1的尺寸参数进行设计，包括卡扣14和卡槽15的开口宽度比例和进出角度；然后反推出单层机械超材料模具3的结构，如图3所示。其中，可以采用三维建模软件对单层机械超材料1的结构尺寸参数进行设计和反推单层机械超材料模具3结构，例如Solidworks三维建模软件。

2)根据步骤1)确定的单层机械超材料模具3的结构，制备单层机械超材料模具3。其中，可以采用3D打印的方法制作单层机械超材料模具3，制作工艺简单、便捷。

3)根据单层机械超材料1需要的弹性模量确定柔性弹性体的本体与交联剂的配比比例，然后将组成柔性弹性体的组分按照确定的比例搅拌均匀，倒入单层机械超材料模具3中，然后烘干固化。

4)固化后，将柔性弹性体模型脱模，得到所制备的单层机械超材料1。

5)将单层机械超材料1以镜像对称的方式，粘在硬质隔板2的两侧，以此类推，得到阵列排布结构的单层机械超材料1阵列。

6)采用润滑剂对卡扣14和卡槽15进行表面处理，改变卡扣14和卡槽15之间的摩擦系数，实现机械超材料吸能特性的调节，最终得到本发明的基于卡扣结构的机械能吸收超材料。

下面以两个具体实施例，进一步说明本发明的一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料的制作方法。其中，各实施例所用的柔性弹性体介质均为美国Dow Corning公司生产的Sylgard-184PDMS硅橡胶套装，柔性弹性体的本体与交联剂按照7:1的比例混合，作为制备机械能吸收超材料的混合介质。

实施例1：

1)采用Solidworks三维建模软件，对所设计的结构进行模具设计，设计的具有三层阵列的机械能吸收超材料。其卡扣结构具有45°的进出角度，和1.5mm的斜臂宽度，卡扣开口宽度比例为0.8，超材料的厚度为20mm。其单层机械超材料1的结构如图2所示，根据单层机械超材料1的结构反推出的单层机械超材料模具3如图3所示。

2)将单层机械超材料模具3的模型文件导入3D打印设备中，所用打印材料为光敏树脂，制作出单层机械超材料模具3的树脂框架。

3)将Sylgard-184PDMS本体和交联剂按7:1的比例配合，并将其充分搅拌混合，静置24h，排出气泡；将混合液体倒入单层机械超材料模具3中，置于80℃的烘箱中保温2h。

4)待完全固化后，将树脂的单层机械超材料模具3破坏，取出硅橡胶的单层机械超材料1。

5)将单层机械超材料1以镜像对称的方法粘在3mm厚的硬质树脂隔板两侧，得到3层阵列机械能吸收超材料。

6)采用埃克森美孚公司生产的Mobilgrease MP型号润滑脂对卡扣14和卡槽15表面润滑，得到摩擦系数为0.2的机械能吸收超材料；测试其力-位移曲线，结果如图4中的实线所示。

实施例2：

本实施例的其它步骤与实施例1中的完全相同，区别只在步骤6)为：采用埃克森美孚公司生产的Mobil-15W-30型号润滑油对卡扣14和卡槽15表面润滑，得到摩擦系数为0.1的机械能吸收超材料；测试其力-位移曲线，结果如图4的虚线所示。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置及其连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料，其特征在于，该超材料包括多个呈阵列排布的单层机械超材料，相邻两所述单层机械超材料镜像设置并通过硬质隔板固定连接；

其中，所述单层机械超材料包括基体，所述基体上沿其长度方向并排设置多个独立的卡扣槽，相邻两所述卡扣槽之间在所述基体上形成柔性的连接梁；所述卡扣槽包括卡扣和卡槽，且所述卡扣和卡槽之间相互配合并相隔固定的距离；所述单层机械超材料采用柔性弹性体制造而成；

所述单层机械超材料包括所述卡扣与所述卡槽分离的第一稳定状态和所述卡扣与所述卡槽结合的第二稳定状态；当外界施加的载荷达到机械能吸收的最大值时，所述单层机械超材料能够从所述第一稳定状态切换到所述第二稳定状态；当载荷撤去后，所述单层机械超材料依然保持所述第二稳定状态；当再施加相反方向的载荷时所述单层机械超材料能恢复到所述第一稳定状态；

所述单层机械超材料能够吸收的机械能由所述卡扣和卡槽之间的开口宽度比例、进出角度和摩擦系数决定。

2.如权利要求1所述的一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料，其特征在于，所述柔性弹性体由本体和交联剂两种组分构成；所述本体与交联剂的配比中，所述交联剂的比例越大，固化后得到的所述柔性弹性体的弹性模量越大。

3.如权利要求1或2所述的一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料，其特征在于，通过表面润滑处理能够对所述卡扣和卡槽之间的摩擦系数进行调节。

4.一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料的制作方法，包括以下步骤：

1)根据单层机械超材料需要吸收的机械能量级，对单层机械超材料的尺寸参数进行设计，包括卡扣和卡槽的开口宽度比例和进出角度；然后反推出单层机械超材料模具的结构；

2)根据步骤1)确定的单层机械超材料模具的结构，制备单层机械超材料模具；

3)根据单层机械超材料需要的弹性模量确定柔性弹性体的本体与交联剂的配比比例，然后将组成柔性弹性体的组分按照确定的比例搅拌均匀，倒入单层机械超材料模具中，然后烘干固化；

4)固化后，将柔性弹性体模型脱模，得到所制备的单层机械超材料；

5)将单层机械超材料以镜像对称的方式，粘在硬质隔板的两侧，以此类推，得到阵列排布结构的单层机械超材料阵列；

6)采用润滑剂对卡扣和卡槽进行表面处理，改变卡扣和卡槽之间的摩擦系数，实现机械超材料吸能特性的调节，最终得到基于卡扣结构的机械能吸收超材料。

5.如权利要求4所述的一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料的制作方法，其特征在于，所述步骤1)中，采用三维建模软件对单层机械超材料的结构尺寸参数进行设计和反推单层机械超材料模具结构。

6.如权利要求4或5所述的一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料的制作方法，其特征在于，所述步骤2)中，采用3D打印的方法制作单层机械超材料模具。