CN112848553B - 一种加强单胞结构及其制备方法与应用、夹芯板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种加强单胞结构及其制备方法与应用、夹芯板，属于增材材料技术领域。本发明提供的加强单胞结构包括八角点阵结构和BCC体心立方晶格结构；受力模式看八角点阵结构是由相同的40根杆件组成；从空间所占总体积看八角点阵结构是由相同的28根杆件组成；BCC体心立方晶格结构的杆件与八角点阵结构内层八面体的8根杆件相接触。本发明通过BCC体心立方晶格结构强化八角点阵结构在受外力的过程中容易出现屈曲的部位，从而提升八角点阵结构整体的刚度。利用上述加强单胞结构制备的夹芯板不仅能够在爆炸冲击过程中作为吸能结构，吸收来自外界爆炸冲击波的产生的能量，同时在对抗弹片等异物高速冲击时，其抗侵彻能力也十分出众。

Description

一种加强单胞结构及其制备方法与应用、夹芯板
技术领域
本发明涉及增强材料技术领域，尤其涉及一种加强单胞结构及其制备方法与应用、夹芯板。
背景技术
夹芯板由密度极高的上、下面板与相对密度较低的夹芯部分组成。夹芯板与同等体积、同等材料的实体相比较，具有轻质、高强度、高比能量吸收比等特点。同时，在夹芯层内部空隙处加入陶瓷、树脂橡胶、泡沫铝等不同的材料还可以进一步提升其抗爆吸能、抗侵彻等特点，同时加入雷达吸波材料还可具有隐身材料的特性。
在安全防护领域，由单胞阵列后与上、下面板组合制造出的夹芯三明治点阵结构已经被广泛应用。例如金字塔单胞材料、KAGOME单胞材料、BCC体心立方晶格材料、FCC面心立方晶格材料、蜂窝材料、波纹板等等。这些结构各自具有不同的特点，但是都无法胜任对抗爆、抗侵彻、抗冲击的三大领域。蜂窝板虽然加入泡沫铝或其他材料可以勉强应对抗爆、抗侵彻问题(结构整体质量增加)，但对于垂直90°的正面高速碰撞依然无法达到安全标准。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于一种加强单胞结构及其制备方法与应用、夹芯板及其制备方法。本发明提供的加强单胞结构具有极其稳定的结构，将其作为夹芯板的夹芯结构，不仅能够在爆炸冲击过程中作为吸能结构，吸收来自外界爆炸冲击波的产生的能量，同时在对抗弹片等异物高速冲击时，其抗侵彻能力也十分出众。
本发明提供了一种加强单胞结构，包括八角点阵结构和BCC体心立方晶格结构；从受力模式角度分析：所述八角点阵结构是由完全相同的40根杆件组成；从空间所占总体积角度分析：所述八角点阵结构是由完全相同的28根杆件组成；所述BCC体心立方晶格结构由完全相同的4根杆件组成；所述BCC体心立方晶格结构的杆件与八角点阵结构内层八面体的8根杆件相接触。
优选地，所述杆件的横截面为圆形或矩形。
优选地，所述八角点阵结构的节点、所述BCC体心立方晶格结构的节点、所述八角点阵结构和BCC体心立方晶格结构相接触的节点为增强节点。
优选地，当所述杆件的横截面为圆形时，所述增强节点的直径≥杆件直径的2倍。
本发明还提供了上述技术方案所述的加强单胞结构的制备方法，包括以下步骤：
将焊枪固定在数控机床的主轴上，并在数控机床内输入成品参数；
启动焊机，采用焊枪对基板进行预热；
启动送丝机，将丝材送至焊枪的下方；
所述焊枪将所述丝材加热，所得熔液下落到基板上形成熔池，开始打印，得到所述加强单胞结构；
所述打印的参数包括：初始阶段峰值电流100～250A，基值电流4～6A，层高为0.3～0.6mm；焊枪的移动速度为500～1000cm/min，送丝速度为40～100cm/min；
所述打印在保护气下进行。
本发明还提供了上述技术方案所述的加强单胞结构的另外一种制备方法，包括以下步骤：
采用激光选区熔化技术打印，得到加强单胞结构。
本发明还提供了上述技术方案所述的加强单胞结构或上述技术方案所述的制备方法得到的加强单胞结构作为增强体在复合材料中的应用。
本发明还提供了一种夹芯板，包括上面板、下面板、位于所述上面板和下面板之间的夹芯结构，所述夹芯结构由多个权利要求1～4任一项所述的加强单胞结构堆叠形成；相邻两个加强单胞结构共用相邻一侧的杆件和节点。
优选地，所述夹芯结构的空隙中填充填充物；所述填充物为树脂材料或陶瓷材料。
优选地，当所述夹芯结构与上面板或下面板接触时，与所述上面板或下面板相接触的夹芯结构中的加强单胞结构的杆件为半杆件，节点为半节点。
本发明提供了一种加强单胞结构，包括八角点阵结构和BCC体心立方晶格结构；从受力模式角度分析：所述八角点阵结构是由完全相同的40根杆件组成；从空间所占总体积角度分析：所述八角点阵结构是由完全相同的28根杆件组成；所述BCC体心立方晶格结构由完全相同的4根杆件组成；所述BCC体心立方晶格结构的杆件与八角点阵结构内层八面体的8根杆件相接触。本发明通过引入BCC体心立方晶格结构强化八角点阵结构在受外力的过程中容易出现屈曲的部位，从而提升八角点阵结构整体的刚度。
本发明还提供了上述技术方案所述的加强单胞结构的制备方法，将焊枪固定在数控机床的主轴上，并在数控机床内输入成品参数；启动焊机，采用焊枪对基板进行预热启动送丝机，将丝材送至焊枪的下方；所述焊枪将所述丝材加热，所得熔液下落到基板上形成熔池，开始打印；所述打印的参数包括：初始阶段峰值电流100～250A，基值电流4～6A，层高为0.3～0.6mm；焊枪的移动速度为500～1000cm/min，送丝速度为40～100cm/min；所述打印在保护气下进行。本发明数控机床采用电弧增材制造实现对加强单胞结构的制备，使用的设备简单，适用性强、成本低。
本发明还提供了上述技术方案所述的加强单胞结构的制备方法，采用激光选区熔化技术打印，得到加强单胞结构。本发明采用激光选区熔化技术打印，得到加强单胞结构前驱体，操作简单。
本发明还提供了一种夹芯板，包括上面板、下面板和夹芯结构，所述夹芯结构由多个上述技术方案所述的加强单胞结构堆叠形成；相邻两个加强单胞结构共用相邻一侧的杆件和节点。本发明的夹芯结构与上、下面板组成的夹芯三明治板结构代替了传统的防护装甲、钢板，不仅能够在爆炸冲击过程中作为吸能结构，吸收来自外界爆炸冲击波的产生的能量，同时在对抗弹片等异物高速冲击时，其抗侵彻能力也十分出众。同时，夹芯结构的使用在满足夹芯板轻量化要求的同时，相比于金字塔、蜂窝结构、波纹板等传统点阵结构具有更长的平台应力，拥有更大的比能量吸收。
附图说明
图1为BCC体心立方晶格结构示意图；
图2为八角点阵结构的受力模式示意图；
图3为八角点阵结构的空间体积示意图；
图4为节点为增强节点的加强单胞结构示意图；
图5～6为本发明提供的加强单胞结构的打印路径编号图；
图7为本发明的加强单胞结构形成的夹芯板的示意图；
图8为与上面板或下面板接触位置加强单胞结构的示意图；
图9为夹芯板对抗垂直90°的正面高速碰撞试验所得钢球的速度-时间图；
图10为TNT爆炸数值模拟效果图；
图11为TNT爆炸数值模拟所得夹芯板(不包括上下面板)的能量吸收-时间曲线图；
图12为分离式霍普金森压杆冲击数值模拟所用装置示意图；
图13分离式霍普金森压杆冲击数值模拟所得效果图；
图14为分离式霍普金森压杆冲击数值模拟所得夹芯板(不包含上下面板)的能量吸收-时间曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的加强单胞结构和夹芯板进行说明。
本发明提供了一种加强单胞结构，包括八角点阵结构和BCC体心立方晶格结构；从受力模式角度分析，所述八角点阵结构是由完全相同的40根杆件组成；从空间所占总体积角度分析：所述八角点阵结构是由完全相同的28根杆件组成；所述BCC体心立方晶格结构由完全相同的4根杆件组成；所述BCC体心立方晶格结构的杆件与八角点阵结构内层八面体的8根杆件相接触。
本发明提供的加强单胞结构包括BCC体心立方晶格结构，具体结构如图1所示；所述BCC体心立方晶格结构由4根完全相同的杆件组成。在本发明中，所述杆件的截面优选为矩形或圆形，进一步优选为圆形；当所述杆件的截面为圆形时，所述杆件的长度优选为4.95mm，直径优选为0.3mm。
本发明提供的加强单胞结构包括八角点阵结构，从受力模式角度分析：所述八角点阵结构由40根完全相同的杆件组成，具体如图2所示；从空间所占总体积角度分析：所述八角点阵结构是由完全相同的28根杆件组成，具体如图3所示。在本发明中，从结构的构型来看，由于侧面的斜杆为两个相邻单胞所公用，因此实际上每个单胞对于最外侧的斜杆仅拥有一半的体积，因此实际上一个单胞实际上占有28根杆的体积。从单胞受力的角度去看，一个单胞受压过程中是由40根杆在起到受力支撑作用，单胞不仅使用了自身空间范围内的28根杆承受载荷，同时动用了相邻其他单胞共用杆部分的12根杆，因而获得了更大的承载能力。在本发明中，所述杆件的截面优选为矩形或圆形，进一步优选为圆形；当所述杆件的截面为圆形时，所述杆件的长度优选为4.95mm，直径优选为0.3mm。
在本发明中，所述BCC体心立方晶格结构的杆件与八角点阵结构内层八面体的8根杆件相接触；所述八角点阵结构内层八面体共12根杆件，BCC体心立方晶格结构只要与点阵结构内层八面体的12根杆件中的8根杆件相接触即可，对于具体是12根杆件中的哪8根杆件不做具体要求，只要能够使BCC体心立方晶格结构的角度对应即可。在本发明中，所述BCC体心立方晶格结构中的8根杆件优选与点阵结构内层八面体的8根杆件的中间位置相接触。
在本发明中，所述BCC体心立方晶格结构、所述八角点阵结构的节点、所述八角点阵结构和BCC体心立方晶格结构相接触的节点优选为增强节点，当所述杆件的截面为圆形时，所述增强节点的直径优选≥杆件直径的2倍。图4为节点为增强节点的加强单胞结构示意图。在本发明中，所述八角点阵结构的杆件的长径比优选与所述BCC体心立方晶格结构的杆件的长径比相同或不同均可。
本发明对所述加强单胞结构的材质不做具体限定，本领域技术人员根据实际情况进行设置即可。
本发明还提供了上述技术方案所述的加强单胞结构的制备方法，包括以下步骤：
将焊枪固定在数控机床的主轴上，并在数控机床内输入成品参数；
启动焊机，采用焊枪对基板进行预热；
启动送丝机，将丝材送至焊枪的下方；
所述焊枪将所述丝材加热，所得熔液下落到基板上形成熔池，开始打印，得到所述加强单胞结构。
在本发明中，所述焊枪上优选套有金属环；所述金属环内开螺纹孔，所述螺纹孔内匹配螺钉将所述焊枪固定在所述数控机床的主轴上。
在本发明中，所述打印的参数包括：初始阶段峰值电流100～250A，基值电流4～6A，层高为0.3～0.6mm；焊枪的移动速度为500～1000cm/min，送丝速度为40～100cm/min。
在本发明，所述打印在保护气下进行；所述保护气优选包括纯度99.99％的氩气。
在本发明中，所述打印过程中：优选实时调整焊枪与送丝管的位置；优选通过调整热输入，实时调整丝材的融化速率。
在本发明中，打印过程中：丝材融化后滴落在基板上，根据数控机床提供的路径，由下至上，层层凝固堆叠，最终形成成品；整个打印在“脉冲—冷却—脉冲”的条件下循环，与之对应“熔滴下落—熔滴凝固—熔滴下落”的实验现象，通过主轴的移动，熔液沿着移动轨迹层层堆叠，同时熔液快速凝固，整个过程不需要支撑结构，从而实现无支撑制造。
在本发明中，结合图5和图6描述所述打印路径优选为：先打印最底下的四个杆件1～4，之后调整数控机床，改变焊枪位置，从中心0，0，0处开始延不同的四个方向打印杆件5～8；之后继续调整位置，打印杆件9～16，使得其与之前打印的杆件5～8相互连接；在杆件5～8号的中间位置，依次打印BCC体心立方晶格的杆件17～20。从杆件9～16与5～8的连接处，横向打印四个杆件21～24；斜向内侧依次打印杆件25～28，使其端点相交于一点；从侧面每个杆的交点处作为起始点，依次打印杆件29～36，最后使杆件29～36每两个杆相连接处打印杆件37～40，使每个杆件的另一端与杆件25～28杆的交点所连接，最终完成打印。
本发明采用现有的数控机床采用电弧增材制造方法制备加强单胞结构，使用的设备简单，适用性更强、成本低。
本发明还提供了上述技术方案所述的加强单胞结构的另外一种制备方法，包括以下步骤：
采用激光选区熔化技术打印，得到加强单胞结构。
本发明对所述激光选区熔化技术的参数不做具体限定，采用本领域技术人员熟知的技术手段即可。
得到加强单胞结构后，本发明优选还包括将所述加强单胞结构进行热处理。
在本发明中，所述热处理的温度优选为450～550℃，进一步优选为500℃，时间优选≤10h。
在本发明中，所述加强单胞结构进行热处理，能够消除应力，进一步提高加强单胞结构的力学强度。
本发明采用激光选区熔化技术打印，得到加强单胞结构前驱体，操作简单。
本发明还提供了上述技术方案所述的加强单胞结构作为增强体在复合材料中的应用。在本发明中，所述加强单胞结构作为增强体应用于复合材料时，所述加强单胞结构优选位于所述复合材料的中间位置。
本发明还提供了一种夹芯板，包括上面板、下面板和夹芯结构。图7为本发明的加强单胞结构形成的夹芯板的示意图。
本发明提供的夹芯板包括上面板，所述上面板的厚度优选为2～5mm。
本发明提供的夹芯板包括下面板，所述下面板的厚度优选为2～5mm。
本发明提供的夹芯板包括夹芯结构；所述夹芯结构由上述技术方案所述的多个加强单胞结构堆叠形成；相邻两个加强单胞结构共用相邻一侧的杆件和节点。在本发明中，所述夹心结构的空隙中优选填充填充物；所述填充物优选为树脂材料或陶瓷材料，本发明对所述树脂材料或陶瓷材料的物质组成不做具体限定。
在本发明中，当所述夹芯结构与上面板或下面板接触时，与所述上面板或下面板相接触的夹芯结构中的加强单胞结构的杆件为半杆件，节点为半节点，具体结构如图8所示。
本发明对夹芯板中的上面板、下面板和夹芯结构的材质不做具体限定，本领域技术人员根据实际需要进行选择即可。在本发明的具体实施例中，所述上、下面板的材质均优选为钛合金TC4；所述夹芯结构的材质优选为钛合金TC4。
在本发明中，所述夹芯板的制备方法优选采用电子束直接生产技术或激光选区熔化技术进行打印。
在本发明中，当所述夹芯结构中填充填充物后，优选先制备夹芯结构再填充填充物。
在本发明中，当所述上、下面板和夹芯结构的材质一样时，优选采用电子束直接生产技术或激光选区熔化技术进行一体化打印。
在本发明中，所述上、下面板和夹芯结构的材质不一样时，制备方法优选采用电子束直接生产技术或激光选区熔化技术进行一体化打印。
下面结合实施例对本发明提供的加强单胞结构及其制备方法与应用、夹芯板进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种夹芯板：上下面板均为1mm厚TC4板；夹芯层为单层加强单胞结构，X方向5层，Y方向1层，Z方向5层，共计25个单胞。每个单胞长宽高均为7mm，杆件长4.95mm，杆件的半径为0.3mm；整个装配体总厚度为9mm；所述夹芯层的材质为TC4。
采用激光选区熔化技术打印夹芯板。
夹芯板对抗垂直90°的正面高速碰撞的试验：
侵彻物体为钨钢圆球，直径为10mm，其入射速度为350m/s(模拟普通手枪、冲锋枪弹丸出射速度)，忽略重力影响。
所得钢球的速度-时间图如图9所示。从图9可以看出：弹丸飞出夹芯板的出射速度平均值为305m/s，减速效果为13％。
实施例2
一种夹芯板：上下面板均为2mm厚TC4板；夹芯层为单层加强单胞结构，X方向5层，Y方向1层，Z方向5层，共计25个单胞。每个单胞长宽高均为7mm，杆件长4.95mm，杆件的半径为0.3mm；整个夹芯板的总厚度为9mm；所述夹芯层的材质为TC4。
采用激光选区熔化技术打印夹芯板。
TNT爆炸数值模拟
将5g TNT置于距离夹芯板上面板中心处40mm的位置进行爆炸，效果图如图10所示。从图10可以看出：每个单胞均受到挤压，整体结构受力均匀，可以很好的起到能量吸收的效果。
图11为夹芯板(不包含上下面板)的能量吸收-时间曲线图。
实施例3
一种夹芯板：上下面板均为1mm厚TC4板；夹芯层为单层加强单胞结构，X方向5层，Y方向5层，Z方向5层，共计125个单胞。每个单胞长宽高均为7mm，杆件长4.95mm，杆件的半径为0.3mm；整个夹芯板的总厚度为9mm；所述夹芯层的材质为TC4。
采用激光选区熔化技术打印夹芯板。
分离式霍普金森压杆冲击数值模拟；
所述透射杆、入射杆和撞击杆的直径为100mm。
按照图12的方式进行冲击数值模拟，图12中，B图为A图中虚线框的放大图：夹芯板夹在透射杆和入射杆之间，撞击杆以10m/s的速度撞击入射杆，撞击杆撞击夹芯板前后的效果图如图13所示，其中A图为撞击杆撞击前的效果图，B图为撞击杆撞击后的效果图。从图13可以看出：夹芯板整体结构受到冲击时，受力均匀，部分杆件出现断裂情况，整体未出现坍塌的现象。图14为分离式霍普金森压杆冲击数值模拟所得夹芯板(不包含上下面板)的能量吸收-时间曲线图。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种夹芯板，其特征在于，包括上面板、下面板、位于所述上面板和下面板之间的夹芯结构，所述夹芯结构由多个加强单胞结构堆叠形成；相邻两个加强单胞结构共用相邻一侧的杆件和节点；
所述加强单胞结构包括八角点阵结构和BCC体心立方晶格结构；从受力模式角度分析：一个加强单胞结构是由完全相同的40根杆件组成；从空间所占总体积角度分析：一个加强单胞结构是由完全相同的28根杆件组成；所述BCC体心立方晶格结构由完全相同的4根杆件组成；所述BCC体心立方晶格结构的杆件顶点与八角点阵结构内层八面体的8根杆件的中间位置相接触；
所述杆件的横截面为圆形；所述八角点阵结构的节点、所述BCC体心立方晶格结构的节点、所述八角点阵结构和BCC体心立方晶格结构相接触的节点为增强节点；所述增强节点的直径≥杆件直径的2倍；
每个单胞长宽高均为7mm，杆件长4.95mm，杆件半径为0.3mm。
2.根据权利要求1所述的夹芯板，其特征在于，所述加强单胞结构的制备方法包括以下步骤：
将焊枪固定在数控机床的主轴上，并在数控机床内输入成品参数；
启动焊机，采用焊枪对基板进行预热；
启动送丝机，将丝材送至焊枪的下方；
所述焊枪将所述丝材加热，所得熔液下落到基板上形成熔池，开始打印，得到所述加强单胞结构；
所述打印的参数包括：初始阶段峰值电流100~250A，基值电流4~6A，层高为0.3~0.6mm；焊枪的移动速度为500~1000cm/min，送丝速度为40~100cm/min；
所述打印在保护气下进行。
3.根据权利要求1所述的夹芯板，其特征在于，所述加强单胞结构的制备方法包括以下步骤：
采用激光选区熔化技术打印，得到加强单胞结构。
4.根据权利要求1所述的夹芯板，其特征在于，所述夹芯结构的空隙中填充填充物；所述填充物为树脂材料或陶瓷材料。
5.根据权利要求1所述的夹芯板，其特征在于，当所述夹芯结构与上面板或下面板接触时，与所述上面板或下面板相接触的夹芯结构中的加强单胞结构的杆件为半杆件，节点为半节点。
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