CN111967110B - 三维二级金属基复合材料复合结构及其设计方法、块材 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维二级金属基复合材料复合结构及其设计方法、块材。所述复合结构的每块条形板的一侧上且沿相应条形板的延伸方向依次开设有若干露天通道一，相邻两个露天通道一之间为连接部；条形板的相对另一侧上且与每个连接部相背的位置开设露天通道二。卡合时：分成相互垂直的两组条形板组，每组条形板组内的条形板之间相互平行且在同一平面上并行排列，且相邻两块条形板之间的连接部与露天通道一错位排布；纵向条形板组的露天通道一、露天通道二分别与横向条形板组的露天通道二、露天通道一相互卡合形成了类似与齿轮之间的结合，增大了机械啮合度，从而增加了接触面的强度，还增大了板材之间的接触面积，增强了两者之间的扩散，从而增大了结合力。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料板材领域的一种复合结构，具体是一种三维二级金属基复合材料复合结构及其设计方法、采用所述三维二级金属基复合材料复合结构制成的块材。
背景技术
铝基复合材料是一种质量轻、价格低廉的材料，具有高比强度、耐磨性以及很好的延展性。近些年来制备金属基复合材料的方法很多，其中值得一提的是非连续增强基复合材料(尤其是陶瓷颗粒增强)由于其增强体材料具有成本低廉，来源广泛的特点，而且复合材料本身可以利用挤压，轧制，扭转等工艺实现二次成型而广泛的应用于航天航空，武器装备，汽车领域。
轧制可以通过塑形大变形细化晶粒提高金属材料力学性能为规模生产提供一个可靠的方法，材料具有很好的机械性能，又不必改变合金的成分，成本较低，工艺简单，已经成功的用到了铝合金、纯铝、低碳钢、铜等。现有技术中，金属复合材料通过轧制制备出层状复合材料板材，层状复合材料板材虽然提高了抗拉强度，但是两个复合材料板材之间的结合强度有限，受到切向力的时候很容易断裂。
发明内容
为解决现有层状复合材料板材在受到切向力的时候很容易断裂的技术问题，本发明提供一种三维二级金属基复合材料复合结构及其设计方法、采用所述三维二级金属基复合材料复合结构制成的块材。
本发明采用以下技术方案实现：一种三维二级金属基复合材料复合结构，其采用多块条形板卡合而成：
其中，每块条形板的结构为：所述条形板的一侧上且沿相应条形板的延伸方向依次开设有若干凹槽一，每个凹槽一在垂直于相应条形板的延伸方向上向所述条形板的相对两端延伸，而出使得相应凹槽一形成露天通道一，相邻两个露天通道一之间定义为连接部；所述条形板的相对另一侧上且与每个连接部相背的位置开设一个凹槽二，每个凹槽二在垂直于相应条形板的延伸方向上向所述条形板的相对两端延伸，而出使得相应凹槽二形成露天通道二；
所述多块条形板之间的卡合方式为：分成相互垂直的两组条形板组，即：纵向条形板组与横向条形板组，每组条形板组内的条形板之间相互平行且在同一平面上并行排列，且相邻两块条形板之间的连接部与露天通道一错位排布；纵向条形板组与横向条形板组上、下叠置且满足：纵向条形板组的露天通道一与横向条形板组的露天通道二相互卡合，纵向条形板组的露天通道二与横向条形板组的露天通道一相互卡合。
作为上述方案的进一步改进，纵向条形板组内的一部分条形板的板材采用复合板材，且采用复合板材的条形板与不采用复合板材的条形板间隔排布；横向条形板组内的一部分条形板的板材也采用复合板材，且采用复合板材的条形板也与不采用复合板材的条形板间隔排布。
优选地，所述复合板材采用颗粒增强金属基复合材料。
优选地，纵向条形板组内的剩下部分条形板的板材采用软韧相金属，横向条形板组内的剩下部分条形板的板材也采用软韧相金属。
作为上述方案的进一步改进，卡合后的所述多块条形板通过热轧制的工艺制得的所述复合结构。
作为上述方案的进一步改进，上、下叠置后的纵向条形板组与横向条形板组的总高度与纵向条形板组的高度、横向条形板组的高度保持一致。
作为上述方案的进一步改进，每块条形板的高度为相应条形板的板厚即连接部的厚度的两倍。
优选地，每块条形板的板厚为0.1-0.5mm，板宽为1-4mm，高度为1-4mm。
再优选地，在条形板的延伸方向上，连接部的长为1-4mm，每个露天通道的长为0.8-3mm。
本发明还提供一种块材，其具有多层结构，每层结构包括阵列式布局的多个复合结构，至少一个复合结构为上述任意三维二级金属基复合材料复合结构。
本发明还提供一种三维二级金属基复合材料复合结构的设计方法，其包括以下步骤：
设计多块条形板，每块条形板的结构为：所述条形板的一侧上且沿相应条形板的延伸方向依次开设有若干凹槽一，每个凹槽一在垂直于相应条形板的延伸方向上向所述条形板的相对两端延伸，而出使得相应凹槽一形成露天通道一，相邻两个露天通道一之间定义为连接部；所述条形板的相对另一侧上且与每个连接部相背的位置开设一个凹槽二，每个凹槽二在垂直于相应条形板的延伸方向上向所述条形板的相对两端延伸，而出使得相应凹槽二形成露天通道二；
卡合所述多块条形板，所述多块条形板之间的卡合方式为：分成相互垂直的两组条形板组，即：纵向条形板组与横向条形板组，每组条形板组内的条形板之间相互平行且在同一平面上并行排列，且相邻两块条形板之间的卡块一与露天通道一错位排布；纵向条形板组与横向条形板组上、下叠置且满足：纵向条形板组的露天通道一与横向条形板组的露天通道二相互卡合，纵向条形板组的露天通道二与横向条形板组的露天通道一相互卡合；
对卡合后的所述多块条形板通过热轧制的工艺制得的所述复合结构。
本发明通过三维上的结构可以有效的增强切向抗力，从而有效解决现有层状复合材料板材在受到切向力的时候很容易断裂的技术问题。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明复合材料板材设置凸起(即连接部)和凹陷(即露天通道)，一方面增大了板材之间的接触面积，增强了两者之间的扩散，从而增大了两个板材的结合力，另一方面凸起与凹陷之间形成了类似与齿轮之间的结合，增大了机械啮合度，从而增加了接触面的强度；
本发明通过三维交错编织方式的设计，三维空间内都是软韧相和硬相交错组成，在发生变形的时候，软韧相增强复合板材的韧度，断裂会在软韧相被阻挡，从而提高了复合板材的断裂强度。与以往的二维层状相比，克服了强度的方向性；
本发明是两级复合材料增强，可以很好的将复合板材与金属软韧相组合一起，从而形成了两级复合的强化作用。
附图说明
图1为本发明实施例的三维二级金属基复合材料复合结构的立体示意图。
图2为图1中三维二级金属基复合材料复合结构的两块条形板之间的卡合结构图。
图3为图1中三维二级金属基复合材料复合结构的三块条形板之间的卡合结构图。
图4为图1中三维二级金属基复合材料复合结构的四块条形板之间的卡合结构图。
图5为本发明实施例的块材结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明的三维二级金属基复合材料复合结构包括多块条形板，其通过多块条形板卡合而成。
请结合图2，每块条形板的一侧上且沿相应条形板的延伸方向依次开设有若干凹槽一，每个凹槽一在垂直于相应条形板的延伸方向上向所述条形板的相对两端延伸，而出使得相应凹槽一形成露天通道一5，相邻两个露天通道一之间定义为连接部6。这块条形板的相对另一侧上且与每个连接部6相背的位置开设一个凹槽二，每个凹槽二在垂直于相应条形板的延伸方向上向所述条形板的相对两端延伸，而出使得相应凹槽二形成露天通道二7。
多块条形板之间的卡合方式为：分成相互垂直的两组条形板组，即：纵向条形板组与横向条形板组，每组条形板组内的条形板之间相互平行且在同一平面上并行排列，且相邻两块条形板之间的连接部6与露天通道一5错位排布；纵向条形板组与横向条形板组上、下叠置且满足：纵向条形板组的露天通道一5与横向条形板组的露天通道二6相互卡合，纵向条形板组的露天通道二6与横向条形板组的露天通道一5相互卡合。
本发明的三维二级金属基复合材料复合结构的方法为：
一、设计多块条形板。
每块条形板的结构如上所述。
二、卡合所述多块条形板。
所述多块条形板之间的卡合方式如上所述。
三、对卡合后的所述多块条形板通过热轧制的工艺制得的所述复合结构。
在本实施例中，为了加强结构强度，卡合后的所述多块条形板通过热轧制的工艺制得的所述复合结构。
本发明复合材料板材设置凸起(即连接部6)和凹陷(即露天通道)，一方面增大了板材之间的接触面积，增强了两者之间的扩散，从而增大了两个板材的结合力，另一方面凸起与凹陷之间形成了类似与齿轮之间的结合，增大了机械啮合度，从而增加了接触面的强度。
接下去针对卡合方式做详细的解说。
请再次参阅图2，取两块条形板，分别做记号：1、4。条形板1与条形板4垂直叠置，且条形板1的露天通道二6与条形板4的露天通道一5相互卡合。
请参阅图3，再取一条条形板，做记号：3。条形板3与条形板1垂直叠置，因此，条形板3与条形板4相互平行，且条形板3的露天通道二6与条形板1的露天通道一5相互卡合。
请参阅图4，再取一条条形板，做记号：2。条形板2与条形板1相互平行，与条形板3、4垂直叠置，且条形板2的露天通道二6与条形板3的露天通道一5相互卡合，条形板2的露天通道一5与条形板4的露天通道二6相互卡合。
以此类推，所有条形板分成相互垂直的两组条形板组，即：纵向条形板组与横向条形板组，每组条形板组内的条形板之间相互平行且在同一平面上并行排列，且相邻两块条形板之间的连接部与露天通道一错位排布；纵向条形板组与横向条形板组上、下叠置且满足：纵向条形板组的露天通道一5与横向条形板组的露天通道二6相互卡合，纵向条形板组的露天通道二6与横向条形板组的露天通道一5相互卡合。
本发明通过三维交错编织方式的设计，三维空间内都是软韧相和硬相交错组成，在发生变形的时候，软韧相增强复合板材的韧度，断裂会在软韧相被阻挡，从而提高了复合板材的断裂强度。与以往的二维层状相比，克服了强度的方向性。
在本实施例中，纵向条形板组内的一部分条形板的板材采用复合板材，且采用复合板材的条形板与不采用复合板材的条形板间隔排布；横向条形板组内的一部分条形板的板材也采用复合板材，且采用复合板材的条形板也与不采用复合板材的条形板间隔排布。纵向条形板组内的剩下部分条形板的板材采用软韧相金属，横向条形板组内的剩下部分条形板的板材也采用软韧相金属。所述复合板材优选采用颗粒增强金属基复合材料。故，本发明是两级复合材料增强，可以很好的将复合板材与金属软韧相组合一起，从而形成了两级复合的强化作用。
上、下叠置后的纵向条形板组与横向条形板组的总高度尽可能与纵向条形板组的高度、横向条形板组的高度保持一致。保证板材的美观性，可以平整的两侧表面也方便进行后续的设计作业。每块条形板的高度最好相应条形板的板厚即连接部的厚度的两倍。如，每块条形板的板厚为0.1-0.5mm，板宽为1-4mm，高度为1-4mm；在条形板的延伸方向上，连接部的长为1-4mm，每个露天通道的长为0.8-3mm。
本发明的三维二级金属基复合材料复合结构应用非常广泛，如图5，可以制成块材。块材具有多层结构，每层结构包括阵列式布局的多个复合结构8，至少一个复合结构8采用三维二级金属基复合材料复合结构。由多个复合结构制成的块材，其整体性能表现为均质各向同性，克服了单一层状复合材料各向异性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种三维二级金属基复合材料复合结构，其特征在于，其采用多块条形板通过三维交错编织方式的设计卡合而成：
其中，每块条形板的结构为：所述条形板的一侧上且沿相应条形板的延伸方向依次开设有若干凹槽一，每个凹槽一在垂直于相应条形板的延伸方向上向所述条形板的相对两端延伸，而出使得相应凹槽一形成露天通道一，相邻两个露天通道一之间定义为连接部；所述条形板的相对另一侧上且与每个连接部相背的位置开设一个凹槽二，每个凹槽二在垂直于相应条形板的延伸方向上向所述条形板的相对两端延伸，而出使得相应凹槽二形成露天通道二；
所述多块条形板之间的卡合方式为：分成相互垂直的两组条形板组，即：纵向条形板组与横向条形板组，每组条形板组内的条形板之间相互平行且在同一平面上并行排列，且相邻两块条形板之间的连接部与露天通道一错位排布；纵向条形板组与横向条形板组上、下叠置且满足：纵向条形板组的露天通道一与横向条形板组的露天通道二相互卡合，纵向条形板组的露天通道二与横向条形板组的露天通道一相互卡合；
其中，纵向条形板组内的一部分条形板的板材采用复合板材，且采用复合板材的条形板与不采用复合板材的条形板间隔排布；横向条形板组内的一部分条形板的板材也采用复合板材，且采用复合板材的条形板也与不采用复合板材的条形板间隔排布；
所述复合板材采用颗粒增强金属基复合材料；纵向条形板组内的剩下部分条形板的板材采用软韧相金属，横向条形板组内的剩下部分条形板的板材也采用软韧相金属。
2.如权利要求1所述的三维二级金属基复合材料复合结构，其特征在于，卡合后的所述多块条形板通过热轧制的工艺制得的所述复合结构。
3.如权利要求1所述的三维二级金属基复合材料复合结构，其特征在于，上、下叠置后的纵向条形板组与横向条形板组的总高度与纵向条形板组的高度、横向条形板组的高度保持一致。
4.如权利要求1所述的三维二级金属基复合材料复合结构，其特征在于，每块条形板的高度为相应条形板的板厚即连接部的厚度的两倍。
5.如权利要求4所述的三维二级金属基复合材料复合结构，其特征在于，每块条形板的板厚为0.1-0.5mm，板宽为1-4mm，高度为1-4mm；和/或，在条形板的延伸方向上，连接部的长为1-4mm，每个露天通道的长为0.8-3mm。
6.一种块材，其具有多层结构，每层结构包括阵列式布局的多个复合结构，其特征在于，至少一个复合结构为如权利要求1至5中任意一项所述的三维二级金属基复合材料复合结构。
7.一种三维二级金属基复合材料复合结构的设计方法，其特征在于，其包括以下步骤：
设计多块条形板，每块条形板的结构为：所述条形板的一侧上且沿相应条形板的延伸方向依次开设有若干凹槽一，每个凹槽一在垂直于相应条形板的延伸方向上向所述条形板的相对两端延伸，而出使得相应凹槽一形成露天通道一，相邻两个露天通道一之间定义为连接部；所述条形板的相对另一侧上且与每个连接部相背的位置开设一个凹槽二，每个凹槽二在垂直于相应条形板的延伸方向上向所述条形板的相对两端延伸，而出使得相应凹槽二形成露天通道二；
卡合所述多块条形板，所述多块条形板之间的卡合方式为：分成相互垂直的两组条形板组，即：纵向条形板组与横向条形板组，每组条形板组内的条形板之间相互平行且在同一平面上并行排列，且相邻两块条形板之间的卡块一与露天通道一错位排布；纵向条形板组与横向条形板组上、下叠置且满足：纵向条形板组的露天通道一与横向条形板组的露天通道二相互卡合，纵向条形板组的露天通道二与横向条形板组的露天通道一相互卡合；
对卡合后的所述多块条形板通过热轧制的工艺制得的所述复合结构；
其中，纵向条形板组内的一部分条形板的板材采用复合板材，且采用复合板材的条形板与不采用复合板材的条形板间隔排布；横向条形板组内的一部分条形板的板材也采用复合板材，且采用复合板材的条形板也与不采用复合板材的条形板间隔排布；
所述复合板材采用颗粒增强金属基复合材料；纵向条形板组内的剩下部分条形板的板材采用软韧相金属，横向条形板组内的剩下部分条形板的板材也采用软韧相金属。
8.如权利要求7所述的三维二级金属基复合材料复合结构的设计方法，其特征在于，所述条形板为如权利要求1至5中任意一项所述的三维二级金属基复合材料复合结构的条形板。
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