CN115157822A - 一种梯度金字塔型点阵夹芯板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种梯度金字塔型点阵夹芯板及其制备方法，其中梯度金字塔型点阵夹芯板包括第一基板、第二基板和点阵芯层。第一基板平行于第二基板，点阵芯层位于第一基板与第二基板之间。点阵芯层包括矩形阵列分布成一层的多个胞元结构，胞元结构包括四个斜杆，斜杆相对于第一基板倾斜设置，斜杆的第一端与第一基板固连，四个斜杆的第二端通过节点固连，节点与第二基板固连，四个斜杆沿节点的圆周方向均布。斜杆由第一端至第二端依次分布有第一直径段、第二直径段和第三直径段，第一直径段和第三直径段的直径大于第二直径段的直径。相比于现有技术，本发明采用直径变化的斜杆，能够显著提高点阵夹芯板的压缩性能。
Description
技术领域
本发明涉及点阵夹芯板技术领域，特别是涉及一种梯度金字塔型点阵夹芯板及其制备方法。
背景技术
高孔隙率和变化多样的微结构使得点阵材料具有独特而优良的力学性能，诸如比强度大，比刚度高，以及非常理想的抗冲击性能。金属点阵夹芯板是以点阵金属作为芯体，外加两层较薄的金属面板组成的复合结构，既能充分发挥点阵材料轻质、吸能等优点，又能利用面板提供所需的结构刚度并对芯体形成保护。随着现代军用装备机动与防护并重的发展需求，金属点阵夹芯板在军用装备防护，尤其是爆炸防护方面的应用研究也逐渐增多。相比于其他拓扑结构点阵材料，金字塔型点阵除轻质、高强特性外，还具有隔热、隔振和电子屏蔽等多功能可设计性，是极具潜力的点阵构型。
现有的金字塔型点阵夹芯板以传统金字塔构型为基本构型，构成金字塔结构的四个倾斜金属杆均是相同尺寸相同直径的杆件。准静态压缩试验表明，传统金字塔结构点阵夹芯板受压破坏模式为杆件端部断裂以及芯层与面板之间的节点断裂，这种断裂失效模式极大降低了点阵夹芯板的力学性能。
现有的金字塔型点阵夹芯板增材制造方法主要是激光增材制造，该方法的缺点在于：成型仓尺寸限制无法制备大尺寸点阵夹芯结构；设备和金属粉末价格高昂，不利于低成本制造，并限制了广泛应用的可能；激光增材制造需要添加支撑结构，工序复杂，增加操作成本，不利于高效率低成本制造。
发明内容
本发明的目的是提供一种梯度金字塔型点阵夹芯板及其制备方法，以提高点阵夹芯板的压缩性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明公开了一种梯度金字塔型点阵夹芯板，包括第一基板、第二基板和点阵芯层，所述第一基板平行于所述第二基板，所述点阵芯层位于所述第一基板与所述第二基板之间；所述点阵芯层包括矩形阵列分布成一层的多个胞元结构，所述胞元结构包括四个斜杆，所述斜杆相对于所述第一基板倾斜设置，所述斜杆的第一端与所述第一基板固连，四个所述斜杆的第二端通过节点固连，所述节点与所述第二基板固连，四个所述斜杆沿所述节点的圆周方向均布；所述斜杆由第一端至第二端依次分布有第一直径段、第二直径段和第三直径段，所述第一直径段和所述第三直径段的直径大于所述第二直径段的直径。
优选地，所述斜杆与所述第一基板的夹角为45度。
优选地，对于每个所述胞元结构，至少有一个所述斜杆的第一端与一相邻所述胞元结构的所述斜杆的第一端固连。
优选地，所述斜杆的直径不大于12mm且不小于5mm。
本发明还公开了一种梯度金字塔型点阵夹芯板的制备方法，用于制备上述的梯度金字塔型点阵夹芯板，包括如下步骤：
S1、通过电弧熔丝增材制造的方式在所述第一基板上堆叠金属沉积层，形成若干个所述斜杆，若干个所述斜杆组成预设数量的所述胞元结构，至此在所述第一基板上得到所述点阵芯层；
S2、在所述第二基板上开孔，将所述胞元结构远离所述第一基板的一端放入孔中，通过电弧熔丝增材制造的方式，在所述胞元结构远离所述第一基板的一端与所述第二基板之间堆叠金属沉积层，形成所述节点，至此得到所述梯度金字塔型点阵夹芯板。
优选地，所述电弧熔丝增材制造的方式为：将金属丝向前送进，通过焊枪发散的电弧作为热源，使所述金属丝的前端在深入电弧区域时受热熔化，形成金属熔滴，所述金属熔滴受到电弧力的作用从所述金属丝上下落，经过多个所述熔滴的连续堆叠、凝固的制造方式。
优选地，所述金属丝在送丝铜管中送进，所述焊枪的尖端为钨极，所述钨极用于发散电弧。
优选地，步骤S1中，通过电弧熔丝增材制造的方式制备同一个所述斜杆时，堆叠完所述斜杆上的一层所述金属沉积层后，所述焊枪和所述送丝铜管移动一段距离并到达新的位置，该距离的水平投影和竖直投影长度相同。
优选地，所述斜杆的预设长度为35mm，预设层数为35层，预设层厚为1mm；制备所述斜杆时，电弧熔丝增材制造的脉冲频率为0.4HZ，送丝速度763mm/min～845mm/min，梯度平均电流为：制备第1～5层所述金属沉积层时231A，制备第6～12层所述金属沉积层时200A，制备第13～20层所述金属沉积层时100A，制备第21～25层所述金属沉积层时184A，制备第26～30层所述金属沉积层时200A，制备第31～35层所述金属沉积层时224A。
优选地，所述节点的预设高度为9mm，预设层数为30层，预设层厚为0.3mm；制备所述节点时，电弧熔丝增材制造的脉冲频率为0.7HZ，送丝速度为882mm/min～945mm/min，梯度平均电流为：制备第1～5层所述金属沉积层时231A，制备第6～12层所述金属沉积层时200A，制备第13～20层所述金属沉积层时175A，制备第21～25层所述金属沉积层时160A，制备第31～35层所述金属沉积层时154A。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明中斜杆的直径是变化的，第一直径段和第三直径段的直径大于第二直径段的直径。采用这种斜杆，本发明的梯度金字塔型点阵夹芯板在受压时，斜杆端部断裂效果明显改善，断裂位置转移到中部，提高了结构承载能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，对于本领域普通技术人员来讲，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为第一基板与点阵芯层的位置关系图；
图2为胞元结构的制备过程示意图；
图3为第二基板上开孔位置示意图；
图4为节点的制备过程示意图；
图5为本实施例梯度金字塔型点阵夹芯板的示意图；
附图标记说明：100-梯度金字塔型点阵夹芯板；1-第一基板；2-第一斜杆；3-第二斜杆；4-第三斜杆；5-第四斜杆；6-斜杆的第N层金属沉积层；7-斜杆的第N+1层金属沉积层；8-焊枪；9-送丝铜管；10-金属丝；11-第二基板；12-节点的第N+1层金属沉积层；13-节点的第N层金属沉积层；14-锥孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种梯度金字塔型点阵夹芯板及其制备方法，以提高点阵夹芯板的压缩性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
参照图1～图5，本实施例提供一种梯度金字塔型点阵夹芯板100，包括第一基板1、第二基板11和点阵芯层。第一基板1平行于第二基板11，点阵芯层位于第一基板1与第二基板11之间。点阵芯层包括矩形阵列分布成一层的多个胞元结构，胞元结构包括四个斜杆，斜杆相对于第一基板1倾斜设置，斜杆的第一端与第一基板1固连，四个斜杆的第二端通过节点固连，节点与第二基板11固连，四个斜杆沿节点的圆周方向均布。斜杆由第一端至第二端依次分布有第一直径段、第二直径段和第三直径段，第一直径段和第三直径段的直径大于第二直径段的直径。
与现有技术中等直径的斜杆不同，本实施例中斜杆的直径是变化的，第一直径段和第三直径段的直径大于第二直径段的直径。准静态实验结果表明，本实施例的梯度金字塔型点阵夹芯板100在受压时(压力方向垂直于第一基板1)，斜杆端部断裂效果明显改善，断裂位置转移到斜杆中部，提高了结构承载能力。
参照图2，作为一种可能的示例，斜杆与第一基板1的夹角为45度。然而，实际实施方式不限于此，例如斜杆与第一基板1的夹角也可以是40度、50度、60度等。
参照图3、图5，作为一种可能的示例，对于每个胞元结构，至少有一个斜杆的第一端与一相邻胞元结构的斜杆的第一端固连，以便将力向相邻的胞元结构传递。
作为一种可能的示例，斜杆的直径不大于12mm且不小于5mm。准静态压缩试验中，压头以0.05mm/min的速度对本示例的梯度金字塔型点阵夹芯板100进行加载，得到的最大压缩强度是986Mpa，屈服强度是662Mpa，能够承受约20KN的压力，比传统的均匀点阵夹芯板的最大压缩强度(641～756Mpa)有明显提高。通过压缩试验后的断口分析表征结果来看，断裂的位置均集中在各个杆件的中部，且具备一定的塑性断裂特征。
参照图2、图4，本实施例还提供一种梯度金字塔型点阵夹芯板100的制备方法，用于制备上述的梯度金字塔型点阵夹芯板100，包括如下步骤：
S1、通过电弧熔丝增材制造的方式在第一基板1上堆叠金属沉积层，形成若干个斜杆，若干个斜杆组成预设数量的胞元结构，至此在第一基板1上得到点阵芯层。
S2、在第二基板11上开孔，将胞元结构远离第一基板1的一端(即四个斜杆的第二端)放入孔中，通过电弧熔丝增材制造的方式，在胞元结构远离第一基板1的一端与第二基板11之间堆叠金属沉积层，形成节点，至此得到梯度金字塔型点阵夹芯板100。
需要说明的是，由于采用电弧熔丝增材制造的方式，本实施例的梯度金字塔型点阵夹芯板100整体为金属材质。
本实施例中，电弧熔丝增材制造的方式为：将金属丝10向前送进，通过焊枪8发散的电弧作为热源，使金属丝10的前端在深入电弧区域时受热熔化，形成金属熔滴，金属熔滴受到电弧力的作用从金属丝10上下落，经过多个熔滴的连续堆叠、凝固的制造方式。通过堆叠金属沉积层，最终得到斜杆或节点。图2及图4中，箭头方向即金属沉积层的沉积方向。
参照图2、图4，作为一种可能的示例，金属丝10在送丝铜管9中送进，焊枪8的尖端为钨极，钨极用于发散电弧。
参照图1，作为一种可能的示例，一个胞元结构中四个斜杆的制备顺序依次为第一斜杆2、第二斜杆3、第三斜杆4、第四斜杆5。
作为一种可能的示例，步骤S1中，通过电弧熔丝增材制造的方式制备同一个斜杆时，堆叠完斜杆上的一层金属沉积层后，焊枪8和送丝铜管9移动一段距离并到达新的位置。该距离的水平投影和竖直投影长度相同，以得到与第一基板1成45度夹角的斜杆。
参照图2，作为一种可能的示例，斜杆的预设长度为35mm，预设层数为35层，预设层厚为1mm。制备该斜杆时，电弧熔丝增材制造的脉冲频率为0.4HZ，送丝速度763mm/min～845mm/min，梯度平均电流为：制备第1～5层金属沉积层时231A，制备第6～12层金属沉积层时200A，制备第13～20层金属沉积层时100A，制备第21～25层金属沉积层时184A，制备第26～30层金属沉积层时200A，制备第31～35层金属沉积层时224A。
参照图4，作为一种可能的示例，节点的预设高度为9mm，预设层数为30层，预设层厚为0.3mm。制备该节点时，电弧熔丝增材制造的脉冲频率为0.7HZ，送丝速度为882mm/min～945mm/min，梯度平均电流为：制备第1～5层金属沉积层时231A，制备第6～12层金属沉积层时200A，制备第13～20层金属沉积层时175A，制备第21～25层金属沉积层时160A，制备第31～35层金属沉积层时154A。
因此，本实施例通过对电弧熔丝增材制造时的电流进行控制，以控制金属丝10的熔化速率，从而在相同熔化时间内得到不同直径的金属沉积层。
参照图4，作为一种可能的示例，步骤S2中，在第二基板11上开设的孔为锥孔14，锥孔14的大径端相对于小径段更靠近第一基板1，以便使锥孔14的孔壁与斜杆的第二端接触限位。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种梯度金字塔型点阵夹芯板，其特征在于，包括第一基板、第二基板和点阵芯层，所述第一基板平行于所述第二基板，所述点阵芯层位于所述第一基板与所述第二基板之间；所述点阵芯层包括矩形阵列分布成一层的多个胞元结构，所述胞元结构包括四个斜杆，所述斜杆相对于所述第一基板倾斜设置，所述斜杆的第一端与所述第一基板固连，四个所述斜杆的第二端通过节点固连，所述节点与所述第二基板固连，四个所述斜杆沿所述节点的圆周方向均布；所述斜杆由第一端至第二端依次分布有第一直径段、第二直径段和第三直径段，所述第一直径段和所述第三直径段的直径大于所述第二直径段的直径。
2.根据权利要求1所述的梯度金字塔型点阵夹芯板，其特征在于，所述斜杆与所述第一基板的夹角为45度。
3.根据权利要求1所述的梯度金字塔型点阵夹芯板，其特征在于，对于每个所述胞元结构，至少有一个所述斜杆的第一端与一相邻所述胞元结构的所述斜杆的第一端固连。
4.根据权利要求1所述的梯度金字塔型点阵夹芯板，其特征在于，所述斜杆的直径不大于12mm且不小于5mm。
5.一种梯度金字塔型点阵夹芯板的制备方法，用于制备如权利要求1～4任意一项所述的梯度金字塔型点阵夹芯板，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过电弧熔丝增材制造的方式在所述第一基板上堆叠金属沉积层，形成若干个所述斜杆，若干个所述斜杆组成预设数量的所述胞元结构，至此在所述第一基板上得到所述点阵芯层；
S2、在所述第二基板上开孔，将所述胞元结构远离所述第一基板的一端放入孔中，通过电弧熔丝增材制造的方式，在所述胞元结构远离所述第一基板的一端与所述第二基板之间堆叠金属沉积层，形成所述节点，至此得到所述梯度金字塔型点阵夹芯板。
6.根据权利要求5所述的梯度金字塔型点阵夹芯板的制备方法，其特征在于，所述电弧熔丝增材制造的方式为：将金属丝向前送进，通过焊枪发散的电弧作为热源，使所述金属丝的前端在深入电弧区域时受热熔化，形成金属熔滴，所述金属熔滴受到电弧力的作用从所述金属丝上下落，经过多个所述熔滴的连续堆叠、凝固的制造方式。
7.根据权利要求6所述的梯度金字塔型点阵夹芯板的制备方法，其特征在于，所述金属丝在送丝铜管中送进，所述焊枪的尖端为钨极，所述钨极用于发散电弧。
8.根据权利要求7所述的梯度金字塔型点阵夹芯板的制备方法，其特征在于，步骤S1中，通过电弧熔丝增材制造的方式制备同一个所述斜杆时，堆叠完所述斜杆上的一层所述金属沉积层后，所述焊枪和所述送丝铜管移动一段距离并到达新的位置，该距离的水平投影和竖直投影长度相同。
9.根据权利要求5所述的梯度金字塔型点阵夹芯板的制备方法，其特征在于，所述斜杆的预设长度为35mm，预设层数为35层，预设层厚为1mm；制备所述斜杆时，电弧熔丝增材制造的脉冲频率为0.4HZ，送丝速度763mm/min～845mm/min，梯度平均电流为：制备第1～5层所述金属沉积层时231A，制备第6～12层所述金属沉积层时200A，制备第13～20层所述金属沉积层时100A，制备第21～25层所述金属沉积层时184A，制备第26～30层所述金属沉积层时200A，制备第31～35层所述金属沉积层时224A。
10.根据权利要求5所述的梯度金字塔型点阵夹芯板的制备方法，其特征在于，所述节点的预设高度为9mm，预设层数为30层，预设层厚为0.3mm；制备所述节点时，电弧熔丝增材制造的脉冲频率为0.7HZ，送丝速度为882mm/min～945mm/min，梯度平均电流为：制备第1～5层所述金属沉积层时231A，制备第6～12层所述金属沉积层时200A，制备第13～20层所述金属沉积层时175A，制备第21～25层所述金属沉积层时160A，制备第31～35层所述金属沉积层时154A。
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