CN114770971A - 泡沫填充仿生点阵复合结构及其制备方法 - Google Patents

泡沫填充仿生点阵复合结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种泡沫填充仿生点阵复合结构，以双曲面点阵结构为骨架，骨架内填充柔性泡沫材料,所述双曲面点阵结构包括数个相互连接的单胞结构，单胞结构包括连接杆系和呈正多边形结构的上胞元基架、中胞元基架、下胞元基架，连接杆系包括多个斜杆，每一斜杆两端的结点为上胞元基架与中胞元基架中边的端点或中胞元基架与下胞元基架中边的端点，且斜杆为斜向布置，每个单胞结构的结点与其相邻的单胞结构的结点相连接。同时提供其相应的制备方法。本发明的仿生点阵复合结构，泡沫的填充改善了仿生点阵的力学性能，具有稳定且较长的吸能平台端，压缩后的变形恢复速度更快，对比纯双曲面点阵结构被压溃无法恢复到初始高度，仿生点阵复合结构几乎可恢复至压缩前高度。

Description

泡沫填充仿生点阵复合结构及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料结构设计及制造技术领域。
背景技术
点阵复合结构是一种极具潜力的先进轻质高强多功能材料，在航天航空及航海等工程上的应用日益广泛。近几年，以生物结构为设计灵感，通过研究生物结构的承载机理提取出高性能的仿生材料与结构，再进一步优化设计出的超轻超韧点阵结构，以其优良的力学性能受到了人们的广泛关注，如高比强度、优异的能量吸收能力、较好的抗冲击性。
泡沫填充仿生点阵复合结构是指以仿生点阵结构为骨架，以泡沫材料为填充相的双相复合结构。目前现有报道大多将仿生点阵结构作为夹芯结构的芯部以研究其力学承载情况，对于仿生点阵结构与其他材料的耦合还有很大的研究空间。有研究人员对泡沫填充四面体点阵、金字塔点阵、kagome点阵等的复合材料进行了简单的力学性能研究，但缺乏对点阵参数、泡沫参数的调控，以及对于具有优越性能的点阵比如仿生点阵，作为增强结构进行泡沫材料填充的研究还较为欠缺。
发明内容
本发明目的在于提供一种泡沫填充仿生点阵复合结构，同时提供其相应的制备方法是本发明的另一发明目的。
基于上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种泡沫填充仿生点阵复合结构，以双曲面点阵结构为骨架，骨架内填充柔性泡沫材料,所述双曲面点阵结构包括数个相互连接的单胞结构，单胞结构包括连接杆系和呈正多边形结构的上胞元基架、中胞元基架、下胞元基架，连接杆系包括多个斜杆，每一斜杆两端的结点为上胞元基架与中胞元基架中边的端点或中胞元基架与下胞元基架中边的端点，且斜杆为斜向布置，每个单胞结构的结点与其相邻的单胞结构的结点相连接。
所述上胞元基架、中胞元基架、下胞元基架为正六边形结构且互相平行，上胞元基架、中胞元基架、下胞元基架的中心位于同一直线上；上胞元基架与下胞元基架的边长相等，中胞元基架的边长短于上胞元基架。
所述上胞元基架与中胞元基架之间的间距和中胞元基架与下胞元基架之间的间距相等；每一斜杆的两结点中，一结点与该结点所在的上胞元基架的中心连成的直线和另一结点与该结点所在的中胞元基架的中心连成的直线形成的空间夹角为120°，或者，一结点与该结点所在的中胞元基架的中心连成的直线和另一结点与该结点所在的下胞元基架的中心连成的直线形成的空间夹角为120°。
连接杆系的连接方式：位于上胞元基架与中胞元基架之间的数个斜杆，结点(1)与结点(11)连接组成斜杆，结点(2)与结点(12)连接组成斜杆，结点(3)与结点(7)连接组成斜杆，依据此结点连接原则组成其它斜杆；位于中胞元基架与下胞元基架之间的斜杆，结点(11)与结点(13)连接组成斜杆，结点(12)与结点(14)连接组成斜杆，结点(7)与结点(15)连接组成斜杆，依据此结点连接原则组成其它斜杆。
数个单胞结构在xoy平面内延拓，双曲面点阵结构的横截面呈蜂窝状结构。
制备泡沫填充仿生点阵复合结构的方法，包括以下步骤：
(1)将柔性泡沫材料颗粒与有机溶剂混和，得双相共混的泡沫溶液；
(2)通过增材制造方法制备双曲面点阵结构，将双曲面点阵结构置于模具中；
(3)将步骤(1)泡沫溶液浇注入步骤(2)已放置双曲面点阵结构的模具中，使泡沫溶液填充双曲面点阵结构；
(4)将步骤(3)已注入泡沫溶液的模具冷冻、冻干、脱模即得。
所述柔性泡沫材料颗粒为聚氨酯颗粒，有机溶剂为1，4-二氧六环，聚氨酯颗粒与1，4-二氧六环的质量比为1∶(7-20)；步骤(1)混合条件：温度60-70℃，搅拌速度400-600转/分钟，搅拌时间4-8h。
冷冻条件：冷冻温度-200—-20℃，冷冻时间65-80h；冻干条件：冻干温度-85—-45℃，压强0.01-0.1Mpa，冻干时间65-80h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明的仿生点阵复合结构，泡沫的填充改善了仿生点阵的力学性能，如承载性能力、抗冲击性，可用于汽车、航天航空等领域；具有稳定且较长的吸能平台端，可用于提升结构在缓冲吸能方面的性能；且相比单一双曲面点阵结构，由于泡沫与双曲面点阵结构之间的相互作用，泡沫填充双曲面点阵结构压缩后的变形恢复速度更快，对比纯点阵结构被压溃无法恢复到初始高度，仿生点阵复合结构几乎可恢复至压缩前高度，拥有比单一点阵结构更高的强度极限；
2)本发明通过相分离法(物理方法)使聚氨酯泡沫成型，先在一定条件下把聚氨酯颗粒与有机溶剂搅拌均匀形成一种双相溶液；之后冷冻，随着温度的降低，有机溶剂对于聚氨酯的溶解度降低，开始触发聚氨酯相与有机溶剂相的相分离过程；相分离过程结束后，再进行冷冻干燥，去处试样中的有机溶剂相，得到只含有聚氨酯的泡沫，本发明的仿生点阵复合结构制备方法(1)操作简便，本发明采用热致相分离法(TIPS)制备聚氨酯泡沫，与其他发泡方法相比，相分离法制备聚氨酯泡沫仅需溶解、冷冻、冻干三道工序，所需设备简单易得，且发泡过程中介入影响因素少，易于调控聚氨酯泡沫性能；(2)适于填充点阵结构，本发明采用的发泡方法属于液体发泡法，可以浇注入任何结构复杂的点阵中，聚氨酯泡沫与点阵结构结合紧密，避免了固体发泡方法无法填充进点阵的弊端；(3)更灵活的应用，本发明所制备聚氨酯泡沫在模具中成型，且对成型模具形状没有要求，可制备出尺寸稳定性好，几何形状复杂的聚氨酯泡沫复合结构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为双曲面单胞结构的立体示意图和结点连接方式展开平面图；
图2为双曲面单胞结构形成双曲面点阵结构的示意图；
图3为双曲面点阵结构的立体示意图；
图4为仿生点阵复合结构的示意图；
图5为仿生点阵复合结构的俯视图；
图6为仿生点阵复合结构的主视图；
图7为模具的立体示意图；
图8为制备泡沫填充仿生点阵复合结构的方法的工艺流程图；
图9为泡沫填充仿生点阵复合结构SEM图；
图10为泡沫填充仿生点阵复合结构和纯泡沫结构力位移曲线图；
其中：1-1、上胞元基架；1-2、斜杆；1-3、中胞元基架；1-4、下胞元基架；01、双曲面点阵结构；02、柔性泡沫材料。
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，下面对本发明的技术方案进行详细描述，但下述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
一种泡沫填充仿生点阵复合结构，如图4-6所示，以双曲面点阵结构01为骨架，双曲面点阵结构的材料为树脂，其型号为C-UV 9400A，密度为1.11-1.15g/cm3，骨架内填充柔性泡沫材料02，柔性泡沫材料02为热塑性聚氨酯(TPU)泡沫。双曲面点阵结构01包括数个相互连接的单胞结构，如图1-3所示，单胞结构包括连接杆系和呈正六边形结构且互相平行的上胞元基架1-1、中胞元基架1-3、下胞元基架1-4，上胞元基架1-1、中胞元基架1-3、下胞元基架1-4的中心位于同一直线上，上胞元基架1-1与下胞元基架1-4的边长相等，中胞元基架1-3的边长短于上胞元基架1-1，所述上胞元基架1-1与中胞元基架1-3之间的间距和中胞元基架1-3与下胞元基架1-4之间的间距相等，连接杆系包括12个斜杆1-2，每一斜杆1-2两端的结点为上胞元基架1-1与中胞元基架1-3中边的端点或中胞元基架1-3与下胞元基架1-4中边的端点，且斜杆1-2为斜向布置，每个单胞结构的结点与其相邻的单胞结构的结点相连接，数个单胞结构在xoy平面内延拓，双曲面点阵结构的横截面呈蜂窝状结构。
每一斜杆1-2的两结点中，一结点与该结点所在的上胞元基架1-1的中心连成的直线和另一结点与该结点所在的中胞元基架1-3的中心连成的直线形成的空间夹角为120°，或者，一结点与该结点所在的中胞元基架1-3的中心连成的直线和另一结点与该结点所在的下胞元基架1-4的中心连成的直线形成的空间夹角为120°。
连接杆系的连接方式：位于上胞元基架1-1与中胞元基架1-3之间的6个斜杆1-2，结点(1)与结点(11)连接组成斜杆1-2，结点(2)与结点(12)连接组成斜杆1-2，结点(3)与结点(7)连接组成斜杆1-2，结点(4)与结点(8)连接组成斜杆1-2，结点(5)与结点(9)连接组成斜杆1-2，结点(6)与结点(10)连接组成斜杆1-2；位于中胞元基架1-3与下胞元基架1-4之间的斜杆1-2，结点(11)与结点(13)连接组成斜杆1-2，结点(12)与结点(14)连接组成斜杆1-2，结点(7)与结点(15)连接组成斜杆1-2，结点(8)与结点(16)连接组成斜杆1-2，结点(9)与结点(17)连接组成斜杆1-2，结点(10)与结点(18)连接组成斜杆1-2。
制备泡沫填充仿生点阵复合结构的方法，包括以下步骤(如图8所示)：
(1)将密度为1.12g/cm3聚氨酯颗粒与1，4-二氧六环按照质量比1∶10依次倒入烧杯中，加入磁子后置于磁力搅拌器上进行搅拌，于温度为65°，搅拌速度为500转/分钟，搅拌4-8h，搅拌至澄清均匀，静置30min使溶液降至室温并排出溶液中气体，得双相共混的泡沫溶液；
(2)通过增材制造方法制备双曲面点阵结构，将双曲面点阵结构置于模具(模具为石英材质，质地光滑、耐低温)中，双曲面点阵结构与模具内平面平行无倾斜；
(3)将步骤(1)泡沫溶液浇注入步骤(2)已放置双曲面点阵结构的模具中(溶液液面高度没过仿生双曲面点阵结构，仅低于模具高度)，静置10-30min以排出气体，使泡沫溶液填充双曲面点阵结构，保鲜膜密封模具；
(4)将步骤(3)已注入泡沫溶液的模具置于-80℃冰箱中冷冻72h，泡沫溶液凝固为固体状态；再置于冻干机中进行冻干(冷冻干燥，转移过程时间在15分钟以内，转移过程中试样置于保温箱中防止泡沫溶液固体融化)，冻干机温度为-80℃，压强为0.013Mpa，冻干72h，泡沫填充仿生点阵复合结构成型；取出，脱模即得。
增材制造相关参数：3D打印类型SLA，打印机的型号是SPS600，所用切片软件为：RPManager，打印参数：扫描速率(支撑/轮廓/填充/皮肤)为4000/7000/7000/7000，扫描功率(支撑/轮廓/填充/皮肤)为0.9/0.5/0.9/0.9，光斑尺寸(支撑/轮廓/填充/皮肤)为0.12/0.12/0.5/0.5。打印后的双曲面点阵结构工件，先用手掰掉支撑，然后把双曲面点阵结构工件放进95％酒精中清洗掉粘在工件表面未固化的树脂。洗干净后用压缩空气机吹干酒精，然后放到紫外光固化箱中固化30分钟。最后通过砂纸打磨双曲面点阵结构工件表面，使工件更光滑美观。
其中，双曲面点阵结构呈六边形手性压扭点阵结构，材料为C-UV 9400A树脂，密度为1.11-1.15g/cm3，其设计参数如图2所示。点阵单胞的高度h为10-15mm，上胞元基架1-1、下胞元基架1-4的边长l为4-7mm，中胞元基架1-3的边长k为3-5mm，点阵的杆径(包括上胞元基架1-1、中胞元基架1-3、下胞元基架1-4及斜杆1-2)d为0.6-1.2mm。将点阵单胞进行阵列后，得到双曲面点阵结构，其高度h、边长a和b与单胞的上、中、下胞元基架1-4边长l、杆径d、两个方向的阵列数m和n具有如下数量关系：
H＝h
a＝1.5×l×m+d
Figure BDA0003617815170000061
模具的高度A、宽度B、厚度H与壁厚y、余量δ以及双曲面点阵结构的设计参数a、b、h，如图7所示，存在以下数量关系：
A-a-y≈30mm
B＝b+y+δ
H＝h+y+δ
其中，壁厚y为2-4mm，余量δ为0.5-1.5mm。其余尺寸由双曲面点阵外廓尺寸确定。
性能测试：
使用电子扫描显微镜对本发明所设计及制备的仿生点阵复合结构试样断面微观形貌进行表征，使用放大倍数为100倍，电子束能量为5keV，其SEM图片如图9所示。结果表明，本发明所制备泡沫孔径均匀，孔隙率高于80％。
采用万能试验机(长春科新，WDW-300)对泡沫试样、双曲面点阵结构试样、点阵与泡沫复合结构试样(本发明仿生双曲面点阵结构)进行压缩，压缩速率0.5mm/min，试样均被压缩至应变70％-80％，每种结构采用3个相同试样重复实验，得到本专利所采用的仿生双曲面点阵结构、工程中常用的BCC点阵、本专利所设计并制备的复合结构以及纯泡沫结构的力位移曲线。其中，为进行对比而测试的BCC点阵与双曲面点阵试样高度相同、底面外廓面积相等，质量相等。实验结果如图10及表1所示。
表1试样进行压缩变形数据
Figure BDA0003617815170000071
由图10和表1得知，将本发明双曲面点阵结构与BCC点阵的力位移曲线进行对比发现，在小变形阶段，BCC点阵具有更大的刚度，而在大变形阶段，本发明双曲面点阵结构刚度明显高于BCC点阵。相比于BCC点阵在压缩过程过早到达弹性极限，且由于压溃而导致曲线突变，双曲面点阵结构更加稳定，并且本发明的双曲面点阵结构具有更长的平台期，具有更好的减振吸能特性。
将本发明仿生点阵复合结构与两种单一结构的力位移曲线进行对比发现，仿生点阵复合结构与纯泡沫结构相比，其刚度大大增强，而与纯点阵结构相差不大。仿生点阵复合结构的力位移曲线相比纯点阵结构更加流畅，这表明由于泡沫与双曲面点阵的复合作用，仿生点阵复合结构比纯点阵结构更加稳定。表1所示压缩后24小时试样高度变化表明，虽然仿生点阵复合结构相对纯点阵结构在刚度提升上意义不大，但仿生点阵复合结构在压缩后其高度可基本回复至压缩前水平，这表明仿生点阵复合结构的弹性极限明显高于纯点阵结构。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种泡沫填充仿生点阵复合结构，其特征在于，以双曲面点阵结构为骨架，骨架内填充柔性泡沫材料,所述双曲面点阵结构包括数个相互连接的单胞结构，单胞结构包括连接杆系和呈正多边形结构的上胞元基架、中胞元基架、下胞元基架，连接杆系包括多个斜杆，每一斜杆两端的结点为上胞元基架与中胞元基架中边的端点或中胞元基架与下胞元基架中边的端点，且斜杆为斜向布置，每个单胞结构的结点与其相邻的单胞结构的结点相连接。
2.如权利要求1所述的泡沫填充仿生点阵复合结构，其特征在于，所述上胞元基架、中胞元基架、下胞元基架为正六边形结构且互相平行，上胞元基架、中胞元基架、下胞元基架的中心位于同一直线上；上胞元基架与下胞元基架的边长相等，中胞元基架的边长短于上胞元基架。
3.如权利要求2所述的泡沫填充仿生点阵复合结构，其特征在于，所述上胞元基架与中胞元基架之间的间距和中胞元基架与下胞元基架之间的间距相等；每一斜杆的两结点中，一结点与该结点所在的上胞元基架的中心连成的直线和另一结点与该结点所在的中胞元基架的中心连成的直线形成的空间夹角为120°，或者，一结点与该结点所在的中胞元基架的中心连成的直线和另一结点与该结点所在的下胞元基架的中心连成的直线形成的空间夹角为120°。
4.如权利要求3所述的泡沫填充仿生点阵复合结构，其特征在于，连接杆系的连接方式：位于上胞元基架与中胞元基架之间的数个斜杆，结点(1)与结点(11)连接组成斜杆，结点(2)与结点(12)连接组成斜杆，结点(3)与结点(7)连接组成斜杆，依据此结点连接原则组成其它斜杆；位于中胞元基架与下胞元基架之间的斜杆，结点(11)与结点(13)连接组成斜杆，结点(12)与结点(14)连接组成斜杆，结点(7)与结点(15)连接组成斜杆，依据此结点连接原则组成其它斜杆。
5.如权利要求4所述的泡沫填充仿生点阵复合结构，其特征在于，数个单胞结构在xoy平面内延拓，双曲面点阵结构的横截面呈蜂窝状结构。
6.制备权利要求1-5任一所述的泡沫填充仿生点阵复合结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将柔性泡沫材料颗粒与有机溶剂混和，得双相共混的泡沫溶液；
(2)通过增材制造方法制备双曲面点阵结构，将双曲面点阵结构置于模具中；
(3)将步骤(1)泡沫溶液浇注入步骤(2)已放置双曲面点阵结构的模具中，使泡沫溶液填充双曲面点阵结构；
(4)将步骤(3)已注入泡沫溶液的模具冷冻、冻干、脱模即得。
7.如权利要求6所述的制备泡沫填充仿生点阵复合结构的方法，其特征在于，所述柔性泡沫材料颗粒为聚氨酯颗粒，有机溶剂为1，4-二氧六环，聚氨酯颗粒与1，4-二氧六环的质量比为1∶(7-20)；步骤(1)混合条件：温度60-70℃，搅拌速度400-600转/分钟，搅拌时间4-8h。
8.如权利要求7所述的制备泡沫填充仿生点阵复合结构的方法，其特征在于，冷冻条件：冷冻温度-200—-20℃，冷冻时间65-80h；冻干条件：冻干温度-85—-45℃，压强0.01-0.1Mpa，冻干时间65-80h。
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