CN110641083A - 一种泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板及制备方法 - Google Patents
一种泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板及制备方法，由三周期极小曲面多孔结构胞元组成的芯子置于上面板和下面板之间，芯子的极小曲面多孔结构中还填充有一定密度的泡沫材料。在受到面板外部冲击压缩载荷作用时，由于泡沫填充材料与极小曲面多孔结构之间的接触耦合作用，改变了夹芯板整体结构的变形模式，使得该泡沫填充三周期极小曲面多孔复合结构的力学性能较空心极小曲面多孔结构有显著提升，可以发挥极小曲面多孔结构壁面弯曲与泡沫材料压缩两种塑性变形时相互作用的能量吸收增强效应。外层面板与内层面板连接，内层面板与芯子一体化打印融合而成，有利于芯子和面板之间的牢固连接，又方便内外层面板在材料、厚度的优化配置。
Description
技术领域
本发明涉及抗冲击防护技术领域，具体涉及一种泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板及制备方法。
背景技术
随着航空航天技术的飞速发展，大型飞机、宇宙飞船等飞行器的运行速度越来越快。与之伴随的，这些飞行器发生高速冲击碰撞等意外事故的风险也越来越大，如何确保其主体结构在受到强冲击载荷时不发生灾难性破坏便成为了航空航天安全防护领域中极为重要的课题。对此，工程师们已研发出了包括多孔金属/非金属泡沫、蜂窝结构、三维点阵结构在内的多种轻质吸能防护结构且实现了广泛的应用，并取得了很好的经济和社会效益。
其中，泡沫材料具有高孔隙率而蜂窝结构或三维点阵结构则拥有很好的承载能力，将二者相结合实现力学性能上的优势互补，成为了复合式轻质多孔结构夹芯板设计的新手段。例如，专利文献CN 104924679 A公布了一种强化泡沫夹芯板及其制备方法，其中采用了蜂窝单元作为强化骨架。
然而，无论是泡沫填充蜂窝夹芯结构还是泡沫填充点阵夹芯结构，由于蜂窝结构或点阵这些主承载结构自身的间断特性，其内部均为非全连通的，具有很强的各向异性，导致这些泡沫填充夹芯结构受冲击载荷时内部容易发生应力集中，承载能力和抗屈曲性能往往会陡然降低，因此在结构平滑连续性和可控性方面显得不足，能量吸收效率也不高，一定程度上限制了它们的应用范围。并且上述CN104924679 A中泡沫夹芯层的上下表面是是用粘贴等方式添加的，导致泡沫夹芯层和上下表面的粘贴位置产生应力集中、以及力传递不均匀。
而在数学理论中，三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surfaces，TPMS)具有多孔特性，在拓扑结构上也是光滑和连通的。并且，工程人员通过修改TPMS隐函数表达式的参数，便能很好地实现多孔大小和形状的精确控制，得到不同类型的全连通多孔结构。不过，长久以来TPMS多孔结构由于难以制造没有引起工程人员的足够重视，但随着如今3D打印制造技术的迅猛发展，其大规模制造已经不再是难以逾越的障碍。CN107885945A公开了一种3D打印的多尺度孔洞结构，该结构基于三周期极小曲面，以实现轻量化设计。然而上述CN107885945A仅仅是将三周期极小曲面应用于牙齿等仿真模型，且目的仅仅是为了实现轻量化。将数学上拓扑属性优越的TPMS应用到复合式轻质多孔结构夹芯板设计中，利用其拓扑光滑连通特性来提高复合式多孔结构夹芯板承载的平滑性和可控性，充分发挥TPMS结构壁面与泡沫材料塑性变形时相互作用的能量吸收增强效应，在实现轻量化的同时，提升其能量吸收效率，是现有技术中未曾提及的。因此如何利用3D打印制造技术设计和生产轻量化并且吸能优异的TPMS多孔结构是本发明所要解决的技术问题。
发明内容
为解决现有技术中上述问题，本发明提供一种泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板及制备方法，将泡沫材料填充于三周期极小曲面相互连通的多孔中，形成复合式夹芯板结构，使其同时具有优异的承载性能和高效的能量吸收效率。
为达到上述目的，本发明提供了一种泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板，包括上内层板、下内层板、连接在二者之间与二者一体成型的芯子、上外层板以及下外层板；芯子包括泡沫材料和三周期极小曲面多孔结构胞元阵列，所述泡沫材料对三周期极小曲面多孔结构胞元阵列进行填充，所述的一体成型是指上内层板、下内层板和三周期极小曲面多孔结构胞元阵列采用3D打印技术一体成型，所述上内层板外表面连接与其尺寸匹配的上外层板，所述下内层板外表面连接与其尺寸匹配的下外层板，上外层板的抗压强度大于上内层板的抗压强度；下外层板的抗压强度大于下内层板的抗压强度。
进一步的，上外层板厚度均大于或等于所述上内层板的厚度，厚度比为10～3:1；下外层板厚度大于或等于所述下内层板的厚度，厚度比为10～3:1；上、下外层板厚度相等或不等。
进一步的，所述上内层板、下内层板厚度分别与极小曲面多孔结构壁厚之间的比例为1～3:1；所述上内层板和下内层板厚度相等或不等。
进一步的，所述三周期极小曲面多孔结构胞元曲面的隐函数数学表达式如下：
Ψ(r)＝∑k F(k)cos[2πk·r-α(k)]＝0；
其中，r为三维空间点向量；k为倒易点阵矢量；F(k)是以k为变量的结构因子函数；α(k)表示三角函数中与k相关的移动相位。优选的三周期极小曲面多孔结构胞元曲面为G曲面、I曲面、P曲面或Z曲面；
G曲面公式：
I曲面公式：
P曲面：
Z曲面：
式中，x、y、z为各曲面点的空间坐标，l为三周期极小曲面多孔结构胞元的边长。
进一步的，当所述的三周期极小曲面多孔结构胞元曲面为P曲面时，所述泡沫材料仅填充于三周期极小曲面多孔结构胞壁的内部。
进一步的，所述泡沫的基体材料包括聚氨酯、水泥或聚氯乙烯；所述泡沫相对密度介于20kg/m3到300kg/m3之间。优选的，所述泡沫的密度和泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板所需承受的冲击强度成正比。
本发明另一方面提供一种泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板的制备方法，包括：
生成三周期极小曲面多孔结构胞元阵列云模型，通过三维建模软件构建出满足芯子外形尺寸和三周期极小曲面多孔结构胞元结构特征参数的芯子及与其相连的上、下内层板的三维几何模型；
将所建立的三维几何模型转为3D打印执行格式文件并对三维几何模型进行切边处理，采用3D打印一体生成芯子及上、下层内板；
获得一定相对密度的泡沫并对三周期极小曲面多孔结构胞元阵列进行填充，形成泡沫填充的所述芯子；制作两个长宽分别与上、下内层板一致的板块分别作为上、下外层板；
将上外层板与上内层板连接起来，将下外层板与下内层板连接起来，得到泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板，
其中，上外层板的抗压强度大于上内层板的抗压强度；下外层板的抗压强度大于下内层板的抗压强度，
所述三周期极小曲面多孔结构的特征参数包括极小曲面胞元体尺寸、极小曲面壁厚。
进一步的，所述三周期极小曲面多孔结构胞元曲面的隐函数数学表达式如下：
Ψ(r)＝∑k F(k)cos[2πk·r-α(k)]＝0；
其中，r为三维空间点向量；k为倒易点阵矢量；F(k)是以k为变量的结构因子函数；α(k)表示三角函数中与k相关的移动相位，所述的三周期极小曲面多孔结构胞元曲面为P曲面；
P曲面：
式中，x、y、z为各曲面点的空间坐标，l为三周期极小曲面多孔结构胞元的边长；
对于P曲面，待泡沫充分定型后切除胞元外面多余的泡沫。
进一步的，所述3D打印成型方式包括熔融沉积制造、激光选区熔化、激光选区烧结、电子束熔化、立体喷印或光固化成形；所述3D打印组成材料为高分子聚合物，或者金属材料，3D打印组成材料包括尼龙、PLA、TPU、钛合金、铝合金、不锈钢或镁合金，上、下外层板组成材料为金属材料、聚合物或复合材料，上、下外层板组成材料包括不锈钢、铝合金、钛合金、镁合金、聚氯乙烯、尼龙、PLA、碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、麻纤维复合材料。
进一步的，如果上、下外层板、上、下内层板为金属，则采用连接激光焊接或胶粘的方式连接；如果上、下外层板与上、下内层板存在非金属板则采用胶粘的方式连接。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明提供的泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板，由三周期极小曲面多孔结构胞元组成的芯子置于上面板和下面板之间，芯子的极小曲面多孔结构中还填充有一定密度的泡沫材料。在受到面板外部冲击压缩载荷作用时，由于泡沫填充材料与极小曲面多孔结构之间的接触耦合作用，改变了夹芯板整体结构的变形模式，使得该泡沫填充三周期极小曲面多孔复合结构的力学性能较空心极小曲面多孔结构有显著提升，可以发挥极小曲面多孔结构壁面弯曲与泡沫材料压缩两种塑性变形时相互作用的能量吸收增强效应。相较于现有技术中的点阵结构或蜂窝结构，极小曲面多孔结构在宏观上表现为各项同性，受到斜向载荷时便于发挥结构的最佳承载优势。
(2)夹芯板均是双层面板，外层面板与内层面板连接，内层面板与芯子中的极小曲面多孔结构一体化打印融合而成，克服了连接/接触位置的应力集中和力传递不均匀的缺点，能够将力均匀的传递至各个胞元，同时，还方便了内外层面板在材料、厚度的优化配置。
(3)外层面板的抗压强度高于内层面板的抗压强度，在受到外力冲击时，外层面板具有一定的承载能力和抗冲击变形能力，能够基本维持外形，将力分散传递至内层面板，避免了局部坍塌压溃。这在受到斜向载荷时作用尤为明显。
(4)三周期极小曲面的类型多种多样，经受力模拟，本发明选择了P型、G型、I型、Z型这四种曲面类型，其在受到载荷时，变形均匀，符合吸能的基本要求。
(5)对于G型、I型、Z型曲面，泡沫完全填充于三周期极小曲面多孔结构各个胞元的内外，而对于P型内面，泡沫仅填充于三周期极小曲面多孔结构各个胞元的内部(通过切除胞元外部多余的泡沫形成)，这种不完全填充的方式能带来优异的吸能效果和轻量化的效果，这是因为不完全填充时，为胞壁的变形提供了空间，使得胞壁能够以最佳吸能方式变形，另外，泡沫受到胞壁、上下内层板、以及周围结构的限制，其运动受到限制，吸能效果与完全填充相似，但与完全填充相比，具有轻量化的效果。
(6)本发明还公开了一种泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板的制备方法，极小曲面结构的拓扑平滑性和可控性使得泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板具有极强的可设计性，利用3D打印快速成型工艺和极小曲面自身的拓扑连通特性，简化了芯子中极小曲面多孔制备和内部泡沫填充的步骤，节省了大量人力和时间。
(7)本发明可以根据所需承受的冲击速度大小选择填充泡沫的密度，不同密度的泡沫可应用于不同冲击速度场合，当冲击速度大时可选用高密度泡沫芯子，而冲击速度较小时，可选用低密度泡沫。
附图说明
图1是本发明的泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板示意图，其中1为上外层板，2为上内层板，3为下外层板，4为下内层板，5为极小曲面多孔结构，6为泡沫材料。
图2是本发明的泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板制备流程图。
图3是本发明实施例中所采用的四种不同的极小曲面多孔结构三维模型，其中图(a)为G曲面型，图(b)为I曲面型，图(c)为P曲面型，图(d)为Z曲面型。
图4是本发明实施例中未填充泡沫的三周期极小曲面多孔芯子结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1所示，本发明一方面提供一种泡沫填充三维周期极小曲面多孔结构夹芯板，包括上面板和下面板，在上面板和下面板之间设置有芯子；芯子包括多个三维周期极小曲面多孔结构5的胞元；每个三维周期极小曲面多孔结构5的胞元包括三维周期极小曲面胞壁和填充于其内部的泡沫材料6。
上面板和下面板均为双层面板，上面板包括上外层板1和上内层薄板2，下面板同样包括下外层实心板3和下内层板4。上、下外层板可以采用实心板，提高承载能力，上、下内层板与芯子中的极小曲面多孔结构5一体化成型，采用薄板结构，薄板厚度根据所要求的极小曲面胞壁厚度确定。在一个实施例中，上内层板2和下内层板4的壁厚与极小曲面多孔结构5壁厚之间的比例为1～3:1。而且上外层板1和下外层板3的厚度均大于或等于内层薄板，厚度比可选地10～3:1，且上外层实心板1和下外层实心板3厚度可以相等也可以不相等。
芯子中三周期极小曲面多孔结构的胞元曲面由如下隐函数形式的数学表达式确定：
Ψ(r)＝∑k F(k)cos[2πk·r-α(k)]＝0； (1)
其中，r为三维空间点向量；k为倒易点阵矢量；F(k)是以k为变量的结构因子函数；α(k)表示三角函数中与k相关的移动相位。由上述隐函数可导出的极小曲面形式种类繁多，典型的几种极小曲面的具体形式可写为，
(1)G曲面：
(2)I曲面：
(3)P曲面：
(4)Z曲面：
式中，x、y、z为各曲面点的空间坐标，l为极小曲面多孔结构的胞元尺寸。
芯子中还包括填充于三维周期极小曲面多孔结构5内部的泡沫材料6。芯子中极小曲面多孔结构5所填充泡沫材料6可以是低密度泡沫也可以是高密度泡沫，相对密度可介于50kg/m3到300kg/m3之间，组成成分包括但不限于聚氨酯、水泥、聚氯乙烯。不同密度可应用于不同冲击速度场合，例如冲击速度大时可选用高密度泡沫芯子，而冲击速度较小时，可选用低密度泡沫。
上外层板1和下外层板3可以是金属材料也可以是聚合物、复合材料等非金属材料，具体包括但不限于不锈钢、铝合金、钛合金、镁合金、聚氯乙烯、尼龙、PLA、碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、麻纤维复合材料。
上内层薄板2、下内层薄板4以及芯子中的极小曲面多孔结构5，三者组成材料可以是高分子聚合物、也可以是金属材料，具体包括但不限定于尼龙、PLA、TPU、钛合金、铝合金、不锈钢、镁合金。
本发明另一方面提供一种泡沫填充三维周期极小曲面多孔结构夹芯板的制备方法，先通过3D打印技术一体化制备出带有上内层薄板2、下内层薄板4、四周侧面通透的三周期极小曲面多孔结构5；然后将此3D打印结构件置于盛有发泡剂的容器中，通过快速发泡技术进行发泡，使泡沫材料6充分填充进极小曲面多孔结构5中，待泡沫充分定型后去除多孔结构四个侧面的多余泡沫，形成泡沫填充三维周期极小曲面多孔结构芯子；对于P型曲面，可进一步去除多孔结构胞元外部的多余泡沫，最后通过激光焊接或胶粘方式，将上外层实心板1和下外层实心板3分别对应连接芯子结构的上内层薄板2和下内层薄板4，得到泡沫填充三维周期极小曲面多孔结构夹芯板。具体的泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板制备流程如图2所示，步骤如下：
S1、极小曲面多孔结构的几何建模：基于极小曲面的隐函数数学表达式，在计算机中应用数学软件生成不同结构形式的极小曲面点云模型，并借助三维建模软件构建出所需尺寸和结构特征参数的极小曲面多孔结构5的三维几何模型及与其相连接的上内层板2和下内层板4；所述三维建模软件采用CATIA、Solid edge、Solid works或AUTO CAD。
所述极小曲面结构形式可以是如图3所示的G曲面、I曲面、P曲面、Z曲面中的一种，也可以是由公式(1)确定的其他类型结构形式。
S2、极小曲面多孔结构的3D打印制备：将所建立的极小曲面多孔结构5的几何模型转为STL格式文件并进行切边处理，切片后利用3D打印机直接3D打印成型所设计的极小曲面多孔结构5及其上内层板2和下内层板4；所述3D打印成型方式包括熔融沉积制造、激光选区熔化、激光选区烧结、电子束熔化、立体喷印或光固化成形；
S3、夹芯板上下外层板的制备：切割两块长宽与极小曲面多孔结构5的上内层薄板2和下内层薄板4一致的实心板，将其作为上外层实心板1和下外层实心板3；
S4、夹芯板芯子的制备：将3D打印极小曲面多孔结构5置于盛有发泡剂的容器中，通过快速发泡技术获得一定相对密度的泡沫材料6，并进行加压处理使泡沫材料6充分填充进极小曲面多孔结构5中，待泡沫材料6充分定型后切除多孔结构四个侧面的多余泡沫，形成泡沫填充三维周期极小曲面多孔结构芯子；对于P型曲面，可进一步切除多孔结构胞元外部的多余泡沫；
S5、采用激光焊接或胶粘方式，将上外层实心板1与上内层薄板2连接起来，将下外层实心板3与下内层薄板4连接起来，得到泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板。
实施例1
基于本发明中G型极小曲面的数学表达式，运用MATLAB软件生成胞元边长为10mm的立方体G型极小曲面多孔结构点云模型，然后借助三维建模软件Solidworks构建出总长度180mm、总宽度40mm、总高度20mm、曲面壁厚为1.5mm的G型极小曲面多孔结构5的三维几何模型，再建立长度180mm、宽度40mm、高度2mm的上内层薄板2和下内层薄板4并与所建立的G型极小曲面多孔结构5的三维几何模型固结，形成包含上下内层薄板的极小曲面多孔结构三维模型；
将所建立的包含极小曲面多孔结构5、上内层薄板2和下内层薄板4的几何模型转为STL格式文件并进行切边处理，切片后采用SLS 3D打印方式进行打印制作，清理内部粉末后得到包含极小曲面多孔结构5、上内层薄板2和下内层薄板4的3D打印尼龙结构件；SLS打印机光源为80W的CO2激光器；3D打印制作材料为尼龙PA2200粉末；
用数控切割机切割两块长宽与极小曲面多孔结构5的上内层薄板2和下内层薄板4相一致、厚度为3mm的实心2024铝合金板，将其作为上外层实心板1和下外层实心板3；
向一带盖容器中快速倒入聚氨酯发泡剂A和发泡剂B，快速搅拌3-5s后迅速将包含极小曲面多孔结构5、上内层薄板2和下内层薄板4的3D打印结构件置于其中并加盖，在此过程中获得相对密度为100kg/m3的泡沫材料6，并利用发泡后容器中形成的压力使泡沫材料6充分均匀地填充进极小曲面多孔结构5中，待泡沫材料6充分定型大约5min左右后切除多孔结构四个侧面的多余泡沫，形成聚氨酯泡沫填充G型三维周期极小曲面多孔结构芯子；
将K-7007特种胶水均匀涂抹至上外层实心板1和下外层实心板3表面，晾置3-5min后将上外层实心板1与上内层薄板2连接起来，同时将下外层实心板3与下内层薄板4连接起来，室温下固化1小时后即得到聚氨酯泡沫填充三周期极小曲面尼龙多孔结构的铝合金夹芯板。
实施例2
基于本发明中P型极小曲面的数学表达式，运用MATLAB软件生成胞元边长为10mm的立方体P型极小曲面多孔结构点云模型，然后借助三维建模软件Solidworks构建出总长度180mm、总宽度40mm、总高度20mm、曲面壁厚为1.5mm的P型极小曲面多孔结构5的三维几何模型，再建立长度180mm、宽度40mm、高度2mm的上内层薄板2和下内层薄板4并与所建立的P型极小曲面多孔结构5的三维几何模型固结，形成包含上下内层薄板的极小曲面多孔结构三维模型；
将所建立的包含极小曲面多孔结构5、上内层薄板2和下内层薄板4的几何模型转为STL格式文件并进行切边处理，切片后采用FDM 3D打印方式进行打印制作，完成后得到包含极小曲面多孔结构5、上内层薄板2和下内层薄板4的3D打印碳纤维结构件；3D打印制作材料为碳纤维线材；
用数控切割机切割两块长宽与极小曲面多孔结构5的上内层薄板2和下内层薄板4相一致、厚度为2mm的实心SUS304不锈钢板，将其作为上外层实心板1和下外层实心板3；
向一带盖铁制容器中加入1kg硅酸盐快干水泥、1.5kg水以及0.05kg JD-2植物发泡剂，搅拌25min充分发泡后获得相对密度为250kg/m3的泡沫材料6，而后将泡沫水泥均匀灌入包含极小曲面多孔结构5、上内层薄板2和下内层薄板4的3D打印碳纤维结构件中，使泡沫材料6充分均匀地填充进极小曲面多孔结构5中并在其四周加以围挡防止泡沫水泥流出，待泡沫水泥材料6充分定型大约24小时后撤去围挡，对极小曲面多孔结构5胞元外部的泡沫进行切除，形成如图1所示的泡沫水泥不完全填充的P型三维周期极小曲面多孔结构芯子；极小曲面的胞元内部均互相几何连通的，发泡时泡沫可直接在各胞元内部流动，容易充满其内部整个空间，P型三维周期极小曲面多孔结构芯子胞元外部粘连的泡沫可用外力去除；只填胞元内部使得夹芯板在受力时，胞元壁能限制泡沫的运动，有利于其充分吸收能量；
将K-7007特种胶水均匀涂抹至上外层实心板1和下外层实心板3表面，晾置3-5min后将上外层实心板1与上内层薄板2连接起来，同时将下外层实心板3与下内层薄板4连接起来，室温下固化1小时后即得到泡沫水泥填充三周期极小曲面碳纤维多孔结构的不锈钢夹芯板。
实施例3
基于本发明中Z型极小曲面的数学表达式，运用MATLAB软件生成胞元边长为10mm的立方体Z型极小曲面多孔结构点云模型，然后借助三维建模软件Solidworks构建出总长度180mm、总宽度40mm、总高度20mm、曲面壁厚为1.5mm的Z型极小曲面多孔结构5的三维几何模型，再建立长度180mm、宽度40mm、高度2mm的上内层薄板2和下内层薄板4并与所建立的Z型极小曲面多孔结构5的三维几何模型固结，形成包含上下内层薄板的极小曲面多孔结构三维模型；
将所建立的包含极小曲面多孔结构5、上内层薄板2和下内层薄板4的几何模型转为STL格式文件并进行切边处理，切片后采用电子束熔融(EBM)3D打印方式进行打印制作，以抽真空方式清理内部粉末并降温冷却后得到包含极小曲面多孔结构5、上内层薄板2和下内层薄板4的3D打印钛合金结构件；EBM打印机的高能电子束功率为3000W；3D打印制作材料为Ti-6Al-4V粉末；
用数控切割机切割两块长宽与极小曲面多孔结构5的上内层薄板2和下内层薄板4相一致、厚度为4mm的实心2024碳纤维复合材料层合板，将其作为上外层实心板1和下外层实心板3；
向一带盖容器中快速倒入聚氨酯发泡剂A和发泡剂B，快速搅拌3-5s后迅速将包含极小曲面多孔结构5、上内层薄板2和下内层薄板4的3D打印钛合金结构件置于其中并加盖，在此过程中获得相对密度为100kg/m3的泡沫材料6，并利用发泡后容器中形成的压力使泡沫材料6充分均匀地填充进极小曲面多孔结构5中，待泡沫材料6充分定型大约5min左右后切除多孔结构四个侧面的多余泡沫，形成聚氨酯泡沫填充Z型三维周期极小曲面多孔结构芯子；
将K-7007特种胶水均匀涂抹至上外层实心板1和下外层实心板3表面，晾置3-5min后将上外层实心板1与上内层薄板2连接起来，同时将下外层实心板3与下内层薄板4连接起来，室温下固化1小时后即得到聚氨酯泡沫填充三周期极小曲面钛合金多孔结构的碳纤维复合材料夹芯板。
本发明实现了极小曲面多孔结构与泡沫材料的夹芯板复合制备，所制备的极小曲面多孔结构与泡沫材料的夹芯板具有承载能力强、抗屈曲性能强和能量吸收效率高的特点，不仅在航空航天领域而且在交通运输、核电装备及国防军事防护诸多领域均具有广泛应用前景。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板，其特征在于，包括上内层板、下内层板、连接在二者之间与二者一体成型的芯子、上外层板以及下外层板；芯子包括泡沫材料和三周期极小曲面多孔结构胞元阵列，所述泡沫材料对三周期极小曲面多孔结构胞元阵列进行填充，所述的一体成型是指上内层板、下内层板和三周期极小曲面多孔结构胞元阵列采用3D打印技术一体成型；
所述上内层板外表面连接与其尺寸匹配的上外层板，所述下内层板外表面连接与其尺寸匹配的下外层板，上外层板的抗压强度大于上内层板的抗压强度；下外层板的抗压强度大于下内层板的抗压强度。
2.根据权利要求1所述的泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板，其特征在于，上外层板厚度大于或等于所述上内层板的厚度，厚度比为10～3:1；下外层板厚度大于或等于所述下内层板的厚度，厚度比为10～3:1；上、下外层板厚度相等或不等。
3.根据权利要求2所述的泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板，其特征在于，所述上内层板、下内层板厚度分别与极小曲面多孔结构壁厚之间的比例为1～3:1；所述上内层板和下内层板厚度相等或不等。
4.根据权利要求2或3所述的泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板，其特征在于，所述三周期极小曲面多孔结构胞元曲面的隐函数数学表达式如下：
Ψ(r)＝∑kF(k)cos[2πk·r-α(k)]＝0；
其中，r为三维空间点向量；k为倒易点阵矢量；F(k)是以k为变量的结构因子函数；α(k)表示三角函数中与k相关的移动相位，所述的三周期极小曲面多孔结构胞元曲面为G曲面、I曲面、P曲面或Z曲面；
G曲面公式：
I曲面公式：
P曲面：
Z曲面：
式中，x、y、z为各曲面点的空间坐标，l为三周期极小曲面多孔结构胞元的边长。
5.根据权利要求4所述的泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板，其特征在于，所述的三周期极小曲面多孔结构胞元曲面为P曲面，所述泡沫材料仅填充于三周期极小曲面多孔结构胞元的内部。
6.根据权利要求2或3所述的泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板，其特征在于，所述泡沫材料选自聚氨酯、水泥或聚氯乙烯；所述泡沫相对密度介于20kg/m3到300kg/m3之间，所述泡沫的密度和泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板所需承受的冲击速度大小成正比。
7.一种如权利要求1-6之一所述的泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板的制备方法，其特征在于，包括：
生成三周期极小曲面多孔结构胞元阵列云模型，通过三维建模软件构建出满足芯子外形尺寸和三周期极小曲面多孔结构胞元结构特征参数的芯子及与其相连的上、下内层板的三维几何模型；
将所建立的三维几何模型转为3D打印执行格式文件并对三维几何模型进行切边处理，采用3D打印一体生成芯子及上、下层内板；
获得一定相对密度的泡沫并对三周期极小曲面多孔结构胞元阵列进行填充，形成泡沫填充的所述芯子；制作两个长宽分别与上、下内层板一致的板块分别作为上、下外层板；
将上外层板与上内层板连接起来，将下外层板与下内层板连接起来，得到泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板，
其中，上外层板的抗压强度大于上内层板的抗压强度；下外层板的抗压强度大于下内层板的抗压强度，
所述三周期极小曲面多孔结构的特征参数包括极小曲面胞元体尺寸、极小曲面壁厚。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：
所述三周期极小曲面多孔结构胞元曲面的隐函数数学表达式如下：
Ψ(r)＝∑kF(k)cos[2πk·r-α(k)]＝0；
其中，r为三维空间点向量；k为倒易点阵矢量；F(k)是以k为变量的结构因子函数；α(k)表示三角函数中与k相关的移动相位，所述的三周期极小曲面多孔结构胞元曲面为P曲面；
P曲面：
式中，x、y、z为各曲面点的空间坐标，l为三周期极小曲面多孔结构胞元的边长；
对于P曲面，待泡沫充分定型后切除胞元外面多余的泡沫。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述3D打印成型方式包括熔融沉积制造、激光选区熔化、激光选区烧结、电子束熔化、立体喷印或光固化成形；
所述3D打印组成材料为高分子聚合物，或者金属材料，3D打印组成材料包括尼龙、PLA、TPU、钛合金、铝合金、不锈钢或镁合金，上、下外层板组成材料为金属材料、聚合物或复合材料，上、下外层板组成材料包括不锈钢、铝合金、钛合金、镁合金、聚氯乙烯、尼龙、PLA、碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、麻纤维复合材料。
10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：如果上、下外层板、上、下内层板为金属，则采用连接激光焊接或胶粘的方式连接；如果上、下外层板与上、下内层板存在非金属板则采用胶粘的方式连接。
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