[发明专利]一种螺旋仿生抗冲击结构及其制备方法

说明书

本发明涉及到抗冲击结构和其制造领域，特指一种螺旋仿生抗冲击结构及其制备方法。采用广泛应用于制造具有精细特征和复杂结构的薄壁部件的增材制造技术，以形状记忆合金或形状记忆树脂为原材料，将该螺旋仿生抗冲击结构设计为轴向方向上由孔管段和微小孔隙小管段合并组成。在孔管段横截面层上呈现孔管围绕中央孔道的等距螺旋形图案分布；微小孔隙小管段各横截面层上呈现众多由七个微小孔隙小管组成的六边形单元围绕中央孔道的等距螺旋形图案分布。采用线性扫描，逐层制造，每层等角度旋转的制造策略，从而制备各截面层的晶体生长方向逐层等角度旋转形，具有螺旋仿生抗冲击结构的构件。

技术领域

本发明涉及到抗冲击结构和其制造领域，特指一种螺旋仿生抗冲击结构及其制备方法，适用于军事，航空航天等领域的抗冲击部件。

背景技术

软着陆技术是行星探测的重要技术。实现软着陆的软起落架探测器支腿是重要的部件之一。如果探测器支腿无法成功部署，将带来灾难性后果，并导致国家财产的巨大损失，为了满足软起落架系统的功能要求，使缓冲器工作稳定可靠，根据不同软起落架系统的特点，具有吸收能量特性的四腿悬挂着陆缓冲器是最佳模型，为了有效地抵抗动态冲击行为并在着陆过程中消散巨大的冲击能量，主支柱往往采用填充有压缩/拉伸缓冲铝蜂窝材料的结构。

然而，填充的这些材料具有一些缺点，例如刚度低，抗压性差，碰撞过程中不可控制的变形。结果，它降低了对探测器的保护作用。此时本发明螺旋仿生抗冲击结构成为缓冲组件的新选择，它可以提供更好的强度和韧性，以更好地保护太空探测器内的电子元件。

将结构仿生学引入到新型抗冲击结构设计中，可以提高其耐撞性和能量吸收性能。本发明的主要仿生思想是：硅藻生活在自然环境中，面临着各种生存挑战，如在水中的碰撞与冲击，被捕食者捕食等，从演化的角度来看硅藻的力学保护应同时利用最少的材料消耗实现强度最大化以抵抗冲击能量。另一方面考虑到自然界中的生物，它们可以进行各种运动，并在长期演化过程中获得具有优异机械性能的骨架，可以实现更强的功能和更轻的重量。以甲壳虫外骨骼为例，对甲壳虫外骨骼横截面进行抛光并观察，显然可以发现周期性的螺旋结构特征。

大量研究表明，螺旋结构可以在沿纤维平面的多个方向上提供增加的各向同性，从而增加抗压强度和刚度，以及增加的韧性，与此同时高密度孔隙小管可能在提高轴向方向的韧性方面发挥重要作用。

另一方面选区激光熔化(SLM)技术为代表的增材制造技术目前得以蓬勃发展，以满足日益增长的高强度和韧性需求。SLM技术在制备精确的复杂形状多孔部件方面显示出优于传统技术的巨大优势，例如制造具有分层表面结构的多孔金属生物材料和精细结构的3D多孔过滤元件以及新型仿生结构等。与此同时，不同的扫描策略对于晶粒生长方向具有较大影响，合理的扫描策略有助于形成类似于甲壳虫外骨骼的螺旋结构。此外，本发明主要选用形状记忆合金，形状记忆树脂等作为原材料，其独特的超弹性和记忆效应同样有助于其机械性能的实现。

发明内容

本发明提供了一种螺旋仿生抗冲击结构及其制备方法。本发明针对当前抗冲击材料的缺陷，结合自然中硅藻外壳，甲虫外壳等优异的机械性能，提供一种新型螺旋仿生抗冲击结构及其相应的激光熔化增材制造方法，采用广泛应用于制造具有精细特征和复杂结构的薄壁部件的增材制造技术，以形状记忆合金，形状记忆树脂之一为原材料，将该螺旋仿生抗冲击结构设计为轴向方向上由孔管段和微小孔隙小管段合并组成。在孔管段横截面层上呈现孔管围绕中央孔道的等距螺旋形图案分布；微小孔隙小管段各横截面层上呈现众多由七个微小孔隙小管组成的六边形单元围绕中央孔道的等距螺旋形图案分布。采用线性扫描，逐层制造，每层等角度旋转的制造策略，从而制备各截面层的晶体生长方向逐层等角度旋转形，具有螺旋仿生抗冲击结构的构件。

本发明提供的螺旋仿生抗冲击结构为直径d为5cm～10cm的圆柱体，结构中心轴线方向具有直径d₁为5mm～2cm的中央孔道，中央孔道直径d₁为圆柱体直径d的1/20～1/5。