[发明专利]一种基于3D打印的二维可控梯度互锁多胞结构

说明书

本发明公开了一种基于3D打印的二维可控梯度互锁多胞结构，该二维结构可以由一系列具有不同互锁角度的单胞通过空间阵列得到，所述的这种单胞是由二维经典的仿珍珠母“砖泥结构”改变增强相的互锁角度以形成增强相之间的相互锁结而得到的，所述的二维“砖泥结构”中增强相的重叠长度约为1/2，互锁形式为线性互锁。该二维多胞材料可以调控材料的破坏模式，当裂纹经过不同互锁角度的单胞时会发生片层(增强相)断裂或片层拔出以及裂纹偏转和裂纹桥连等强韧化机制，可以有效地提高材料的损伤容限能力。此外，通过改变二维多胞结构中互锁角度的空间分布形式，可以进一步调节多胞材料的破坏断裂和变形失效行为。

技术领域

本发明涉及一种互锁多胞结构，特别涉及一种基于3D打印的可控二维梯度互锁多胞结构。

背景技术

损伤容限指的是含裂纹的结构在下一次维修前可以安全运行的能力。这种工程设计方法常用在航空航天领域，比如飞机起落架以及蒙皮结构中常用的“T”型接头。它假定结构在加工或者是服役过程中不可避免的会产生微孔洞和微裂纹等缺陷，因此需要采用断裂力学的方法研究裂纹扩展的行为。近年来，研究材料或结构的损伤容限能力，在此基础上如何改善并提高损伤容限能力一直都是学者们关注的重点。

从这个角度来讲，自然界中的许多生物材料为发展新型损伤容限轻质结构材料提供了很好的指导作用。其中，研究最广泛的一种生物材料是软体动物外壳中的珍珠母。它具有一种独特的微结构，那就是高度矿化的坚硬的生物陶瓷片层以一种平行交错的方式均匀地排列在柔软的蛋白质基体中，形成一种“砖泥结构”。大量研究表明，仿珍珠母复合材料中最常见也最有效的增韧机制是裂纹偏转和裂纹桥连，以及与之相关的片层拔出的失效模式，表现出了优异的缺陷容限能力，相对应的片层断裂则可以显著提高复合材料的强度。值得注意的是，这两种典型的强韧化机制以及失效模式与“砖泥结构”在变形过程中产生的片层滑移现象有着密切的关系。实验观测和研究表明，珍珠母微结构中的陶瓷片层还存在着一定的波纹状，这种波纹状片层在变形过程中会产生相互锁结的现象，增强了陶瓷片层之间的相互作用，将变形传递到更广泛的范围内，有效改善了材料的力学性能。

另一方面，自然中大约有几百万种动物，但是在这些多种多样的生物材料中的微结构却表现出高度相似性，前文提到的珍珠母材料中的“砖泥结构”即属于其中的层状结构。除此之外，还有一种设计理念长期以来一直被大自然中的生物材料所采用，那就是梯度材料。梯度材料具有以下两方面特点：第一个是分布空间，包括整个材料区域和有限材料区域两种，其中第二种又常被称作界面区域；第二个是分布形式，包括连续分布和阶梯分布两种，对于界面区域来说往往是连续分布，而对于整体趋于来说两种分布形式均有报道。此外，梯度材料的种类主要包括以下几种：第一种是材料成分梯度，第二种是结构梯度，第三种是界面梯度，第四种是混合梯度。这类材料具有承受载荷、提高接触损伤容限能力，可以起到界面强韧化的效果。因此，学者们仿照这类生物材料设计了多种新型功能性复合材料，并应用在汽车和航空航天等领域比如保险杠、冲撞盒等。综上，仿珍珠母复合材料中独特的交错层叠结构具有优异的力学性能，通过对其结构进行梯度设计可以实现对此类材料力学行为更大范围的调控。目前，针对互锁“砖泥结构”的梯度设计，还尚未见有公开的报道。

本发明所述的二维可控梯度互锁多胞结构，由一种具有代表性的周期性单胞组成，且空间的梯度分布形式多种多样，从而可以得到不同排列组合的二维多胞结构。该代表性的互锁“砖泥结构”单胞的可控性强，增强相的长径比ρ和互锁角度α可以在一定范围内自由变化，且互锁角度在横向方向上的空间分布形式可以有多种选择。这一系列可控参数和空间变化，使得本发明所述的二维可控梯度互锁多胞结构可以在横向方向上表现出不同的变形机制，其失效模式不仅可以是片层拔出，也可以是片层断裂，再考虑到裂纹偏转和裂纹桥连等机制，可以有效改善材料的力学性能，从而完全可以根据实际应用的要求去设定几何和空间参数以满足要求。

发明内容