CN114542635B - 一种内扭转蜂窝结构材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内扭转蜂窝结构材料及其制备方法，属于蜂窝材料技术领域。本发明内扭转蜂窝结构材料，由拓扑阵列排列的若干个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元组成，每个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的外层细胞壁的横截面均为正六边形，每个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的内层细胞壁由依次相接的扭转曲面组成，相邻内扭转六边形蜂窝结构细胞单元共用外层细胞壁。本发明通过将六边形蜂窝的内层细胞壁扭转，并通过调整扭转角度、细胞厚度、边长和高度等工艺参数以实现蜂窝结构的能量吸收特性和比刚度性能的调控，在相同工况且相对密度相同时，内扭转蜂窝结构材料比传统六边形蜂窝结构材料具有更高的比吸能和比刚度。

Description

一种内扭转蜂窝结构材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种内扭转蜂窝结构材料及其制备方法，属于蜂窝材料技术领域。
背景技术
蜂窝结构具有优异力学性能的结构，因为其具有高比刚度、高比强度、高能量吸收的特点，在航空航天、汽车工程、国防军工领域都被广泛的应用。由于结构单元相互连接的网格空间填充了内部空间，蜂窝材料比基体材料具有更高的孔隙率和更低的质量密度，从而使其具有高的比刚度、比强度和比吸能。在工程应用中，蜂窝结构可以让防护对象免受冲击损伤，因此，为了确保防护对象的安全与稳定，通常要求在给定的冲击环境下尽可能提高蜂窝材料的能量吸收能力与结构稳定性；同时还能根据不同的使用环境和要求对几何尺寸、性能进行调控。
随着工程技术的发展，传统的蜂窝结构材料(三角形、四边形、六边形等)已逐渐无法满足性能需求，并且传统的六边形蜂窝在平面面内方向压缩加载工况下极易出现剪切破坏，这极大限制了其广泛应用。
因此，需要设计制造出具有优异力学性能的新型蜂窝结构，以满足工程领域对轻质高性能蜂窝材料的迫切需求。
发明内容
本发明针对传统六边形蜂窝在平面面内方向压缩加载工况下极易出现剪切破坏的问题，提供一种内扭转蜂窝结构材料及其制备方法，通过将六边形蜂窝的内层细胞壁扭转，并通过调整扭转角度、细胞厚度、边长和高度等工艺参数以实现蜂窝结构的能量吸收特性和比刚度性能的调控，在相同工况且相对密度相同时，内扭转蜂窝结构材料比传统六边形蜂窝结构材料具有更高的比吸能和比刚度。
一种内扭转蜂窝结构材料，由拓扑阵列排列的若干个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元组成，每个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的外层细胞壁的横截面均为正六边形，每个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的内层细胞壁由依次相接的扭转曲面组成；相邻内扭转六边形蜂窝结构细胞单元共用外层细胞壁。
所述内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的相邻外层细胞壁垂直连接，内扭转六边形蜂窝结构细胞单元内的上扭转曲面与下扭转曲面错位连接，相邻扭转曲面的顶点相接；
所述内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的边长为Lc，高度为Hc，扭转角度θ的表达式为
θ＝arctan(Hc/Lc)，30°≤θ≤75°。
所述内扭转蜂窝结构材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)设计内扭转六边形蜂窝结构细胞单元：内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的外层细胞壁的横截面为正六边形，相邻外层细胞壁垂直连接；内层细胞壁为依次相接的扭转曲面，上扭转曲面与下扭转曲面错位连接，相邻扭转曲面的顶点相接，扭转角度θ为30°～75°；通过调整内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的细胞壁厚t以调整内扭转蜂窝结构材料的相对密度至预设值，其中预设值位于0.1～0.5之间；
(2)将内扭转六边形蜂窝结构细胞单元进行拓扑阵列排列，内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的高度Hc方向即轴向排列N个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元，内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的长度Lc方向即横向排列M个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元，得到内扭转蜂窝结构材料模型；其中N≥2，M≥3；
(3)内扭转蜂窝结构材料模型经3D打印即得内扭转蜂窝结构材料。
本发明所述相对密度为蜂窝结构材料的密度与制备蜂窝结构的基体材料密度的比值。
本发明的有益效果是：
(1)本发明内扭转蜂窝结构通过将传统六边形蜂窝结构内细胞壁扭转一定角度，得到的内扭转蜂窝结构整体满足蜂窝结构的各项参数限定，相比于传统的六边形蜂窝结构，在相对密度相同的情况时具有更高的刚度和能量吸收特性；
(2)本发明能够根据实际工况需求调整蜂窝结构的几何特征，包括长宽高以及扭转角度，实现内扭转蜂窝结构的刚度和能量吸收特性的范围调控，以满足不同工况下的需求；
(3)本发明内扭转蜂窝结构在相同工况且相对密度相同的情况下(相对密度0.23)，相比于传统六边形蜂窝结构的弹性模量和比吸能分别提升了1.85和1.5倍。
附图说明
图1为内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的结构示意图；
图2为内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的尺寸示意图；
图3为内扭转蜂窝结构材料结构示意图，其中M为5,N为2；
图4为实施例3相对密度相同的内扭转蜂窝结构与六边形蜂窝结构在压缩应变率为10-3s-1下的工程应力应变曲线；
图5为实施例3在相同工况下内扭转蜂窝结构与六边形蜂窝结构比吸能随相对密度变化对比图；
图6为实施例3在相同工况下内扭转蜂窝结构与六边形蜂窝结构弹性模量随相对密度变化对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：一种内扭转蜂窝结构材料(见图1～3)，由拓扑阵列排列的若干个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元组成，每个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的外层细胞壁的横截面均为正六边形，每个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的内层细胞壁由依次相接的扭转曲面组成；相邻内扭转六边形蜂窝结构细胞单元共用外层细胞壁；
内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的相邻外层细胞壁垂直连接，内扭转六边形蜂窝结构细胞单元内的上扭转曲面与下扭转曲面错位连接，相邻扭转曲面的顶点相接；
内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的边长为Lc，高度为Hc，扭转角度θ的表达式为
θ＝arctan(Hc/Lc)，30°≤θ≤75°；
通过将六边形蜂窝的内层细胞壁扭转，并通过调整扭转角度、细胞厚度、边长和高度等工艺参数以实现蜂窝结构的能量吸收特性和比刚度性能的调控，在相同工况且相对密度相同时，内扭转蜂窝结构材料比传统六边形蜂窝结构材料具有更高的比吸能和比刚度。
实施例2：实施例1所述内扭转蜂窝结构材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)设计内扭转六边形蜂窝结构细胞单元：内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的外层细胞壁的横截面为正六边形，相邻外层细胞壁垂直连接；内层细胞壁为依次相接的扭转曲面，上扭转曲面与下扭转曲面错位连接，相邻扭转曲面的顶点相接，扭转角度θ为30°～75°；通过调整内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的细胞壁厚t以调整内扭转蜂窝结构材料的相对密度至至预设值，其中预设值位于0.1～0.5之间；
(2)将内扭转六边形蜂窝结构细胞单元进行拓扑阵列排列，内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的高度Hc方向即轴向排列N个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元，内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的长度Lc方向即横向排列M个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元，得到内扭转蜂窝结构材料模型；其中N≥2，M≥3；
(3)内扭转蜂窝结构材料模型经3D打印即得内扭转蜂窝结构材料。
实施例3：内扭转蜂窝结构材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)设计内扭转六边形蜂窝结构细胞单元：内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的外层细胞壁的横截面为正六边形，相邻外层细胞壁垂直连接；内层细胞壁为依次相接的扭转曲面，上扭转曲面与下扭转曲面错位连接，相邻扭转曲面的顶点相接，扭转角度θ为45°(内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的边长为Lc与高度为Hc相等)；通过调整内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的细胞壁厚t以调整内扭转蜂窝结构材料的相对密度至0.237；
(2)将内扭转六边形蜂窝结构细胞单元进行拓扑阵列排列，内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的高度Hc方向即轴向排列2个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元，内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的长度Lc方向即横向排列5个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元，得到内扭转蜂窝结构材料模型；
(3)内扭转蜂窝结构材料模型经3D打印即得内扭转蜂窝结构材料(见图3)；
内扭转蜂窝结构材料放入万能试验机下进行准静态压缩实验，压缩应变率为10- 3s-1；
内蜂窝结构与六边形蜂窝结构在相同工况(压缩应变率为10-3s-1)且相对密度为0.237的情况下的应力应变曲线见图4，从图4可知，内扭转蜂窝结构的弹性模量(初始弹性段的斜率)与屈服应力(第一个出现的峰值应力)以及屈服后的平台应力都高于六边形蜂窝结构；
工程应力应变曲线处理得出比吸能曲线见图5，从图5可知，随着相对密度的增长，内扭转蜂窝结构与六边形蜂窝结构的比吸能曲线都呈上升的趋势，在相同相对密度下，内扭转蜂窝结构的比吸能值高于六边形蜂窝结构；
工程应力应变曲线处理得出弹性模量曲线见图6，从图6可知，随着相对密度的增加内扭转蜂窝结构与六边形蜂窝结构的弹性模量都呈现上升的趋势，但是在相同的相对密度下，内扭转蜂窝结构的弹性模量高于六边形蜂窝。
以上对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种内扭转蜂窝结构材料，其特征在于：由拓扑阵列排列的若干个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元组成，每个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的外层细胞壁的横截面均为正六边形，每个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的内层细胞壁由依次相接的扭转曲面组成；相邻内扭转六边形蜂窝结构细胞单元共用外层细胞壁。
2.根据权利要求1所述内扭转蜂窝结构材料，其特征在于：内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的相邻外层细胞壁垂直连接，内扭转六边形蜂窝结构细胞单元内的上扭转曲面与下扭转曲面错位连接，相邻扭转曲面的顶点相接。
3.根据权利要求1所述内扭转蜂窝结构材料，其特征在于：内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的边长为Lc，高度为Hc，扭转角度θ的表达式为θ＝arctan(Hc/Lc)，30°≤θ≤75°。
4.权利要求3所述内扭转蜂窝结构材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)设计内扭转六边形蜂窝结构细胞单元：内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的外层细胞壁的横截面为正六边形，相邻外层细胞壁垂直连接；内层细胞壁为依次相接的扭转曲面，上扭转曲面与下扭转曲面错位连接，相邻扭转曲面的顶点相接，扭转角度θ为30°～75°；通过调整内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的细胞壁厚t以调整内扭转蜂窝结构材料的相对密度预设值；
(2)将内扭转六边形蜂窝结构细胞单元进行拓扑阵列排列，内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的高度Hc方向即轴向排列N个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元，内扭转六边形蜂窝结构细胞单元的长度Lc方向即横向排列M个内扭转六边形蜂窝结构细胞单元，得到内扭转蜂窝结构材料模型；其中N≥2，M≥3；
(3)内扭转蜂窝结构材料模型经3D打印即得内扭转蜂窝结构材料。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1043894A (zh) * 1988-12-27 1990-07-18 巴恩斯集团公司 制造超塑成型和扩散接合的制品的方法及其制品
CN101415891A (zh) * 2007-05-24 2009-04-22 积水化学工业株式会社 蜂窝建筑构造体
CN110576644A (zh) * 2019-09-24 2019-12-17 华侨大学 三明治复合板
CN112049886A (zh) * 2020-09-10 2020-12-08 西安交通大学 具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构及其制备方法
CN112743933A (zh) * 2020-12-02 2021-05-04 郑州大学 一种双层自旋折纸蜂窝夹层吸能材料及其制备方法
CN113833794A (zh) * 2021-09-24 2021-12-24 昆明理工大学 一种具有正负泊松比蜂窝型结构的隔振基座
CN114060445A (zh) * 2021-11-29 2022-02-18 中山大学 一种三维曲壁混合相正四边形手性蜂窝

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4238858B2 (ja) * 2005-09-20 2009-03-18 株式会社デンソー 六角ハニカム構造体及びその製造方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1043894A (zh) * 1988-12-27 1990-07-18 巴恩斯集团公司 制造超塑成型和扩散接合的制品的方法及其制品
CN101415891A (zh) * 2007-05-24 2009-04-22 积水化学工业株式会社 蜂窝建筑构造体
CN110576644A (zh) * 2019-09-24 2019-12-17 华侨大学 三明治复合板
CN112049886A (zh) * 2020-09-10 2020-12-08 西安交通大学 具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构及其制备方法
CN112743933A (zh) * 2020-12-02 2021-05-04 郑州大学 一种双层自旋折纸蜂窝夹层吸能材料及其制备方法
CN113833794A (zh) * 2021-09-24 2021-12-24 昆明理工大学 一种具有正负泊松比蜂窝型结构的隔振基座
CN114060445A (zh) * 2021-11-29 2022-02-18 中山大学 一种三维曲壁混合相正四边形手性蜂窝

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