一种基于3D打印的二维可控梯度互锁多胞结构
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
本发明的目的在于：克服上述现有技术和研究的缺点和不足，提出一种基于3D打印的二维可控梯度互锁多胞结构，可以通过3D打印技术快速制备。与经典的“砖泥结构”相比，本发明所述的二维梯度互锁多胞结构材料具有更高的刚度，并且弹性性能可在一个较大范围内调节；与现有二维非梯度互锁多胞结构相比，本发明所述的二维梯度互锁多胞结构具有更高的损伤容限能力，同时，还具有可以整合多种变形和失效机制的特点。
本发明主要通过下述技术方案实现：
一种基于3D打印的二维可控梯度互锁多胞结构，该结构是由多个具有不同互锁角度的“砖泥结构”单胞结构通过空间排布再阵列得到，其中排布方式针对于互锁角度，包括连续线性和非线性分布以及非连续阶梯状分布等，阵列方式针对于单胞，包括平行阵列。所述的周期性单胞有两种类型：
第一种单胞是由经典的二维仿珍珠母“砖泥结构”所构成。所述的“砖泥结构”是由两个长径比为ρ的长方形增强相(1和2)以一种平行交错的方式排列在基体(3)内部，且相互重叠大约1/2，其中一个增强相(1)位于单胞(4)中心，另一个增强相(2)则位于单胞的四个角点(21、22、23和24)，在单胞(4)内部占据五个子区域(1、21、22、23和24)共计两个增强相，将此单胞(4)在空间上的两个方向(x和y)进行阵列就可以得到不包含互锁的典型的“砖泥”多胞结构；
第二种单胞是在经典的“砖泥结构”单胞(4)中，保持增强相(1和2)端部的截面尺寸不变，减小增强相(1和2)中间的截面尺寸，形成一定的倾斜角度α，同时为了保证增强相(1和2)的体积分数保持不变缩小单胞(4)的横向(y方向)尺寸，此时在相邻的增强相(1和2)之间便形成了相互锁结的结构，其中互锁角度等于倾斜角度α。沿用经典“砖泥结构”中增强相的长径比ρ，则该互锁的“砖泥结构”中的互锁角度α和长径比ρ之间需满足关系式：ρ·tanα<1。然后将包含有不同互锁角度的“砖泥结构”在横向(y方向)进行堆叠，再在轴向(x方向)进行周期性排布，最终可以得到二维可控的梯度互锁多胞结构。所述的二维梯度互锁多胞结构中的互锁角度α的变化方式有多种选择，包括连续性分布如线性、非线性等和间断性分布如阶梯形分布等。因此，通过改变“砖泥结构”中增强相的长细比ρ，以及互锁角度α的大小和空间分布形式，即可调节变形机制，其中增强相的破坏模式既可以是片层拔出也可以是片层断裂。
所述的二维可控梯度互锁多胞结构可以通过PolyJet三维多材料喷射技术进行3D打印制备，所述的二维梯度互锁多胞结构制备用的材料是光敏树脂。所述的二维可控梯度互锁多胞结构的增强相体积分数范围为62.5％～99％。
本发明相对于现有技术和研究，具有以下的优点和效果：
(1)本发明提出了一种基于3D打印的二维可控梯度互锁多胞结构，该二维结构可以在沿着梯度的横向方向上都具有不同且可控的变形机制和失效模式。当含裂纹体受到轴向拉伸的作用时，裂纹经过具有不同互锁角度的“砖泥结构”单胞会发生不同的破坏模式，产生不同的强韧化机制，比如片层断裂和片层拔出、裂纹偏转等，从而能有效的抵抗裂纹扩展演化，因此在承载、航空航天等领域有着潜在的应用前景；
(2)与现有二维“砖泥”多胞结构相比，该二维梯度互锁多胞结构具有多种周期性单胞类型，且空间排布形式多样，可控范围更广。与现有技术相比，本发明所述的二维梯度互锁多胞结构的变形机制的可控范围更广。通过调节模型中增强相的长径比ρ和互锁角度α，以及选择不同的梯度分布形式，就可以得到不同且可控的破坏模式，相应的力学响应可强可韧。
(3)该二维梯度互锁多胞结构的增强相的体积分数范围为62.5％～99％，可以通过梯度设计更加接近珍珠母生物材料。同时，可以通过PolyJet三维多材料喷射技术，快速精准地打印出来，材料可以是光敏树脂。
附图说明
图1(a)为本发明的二维可控梯度互锁多胞结构的经典“砖泥结构”单胞结构示意图；
图1(b)为本发明的二维可控梯度互锁多胞结构的互锁“砖泥结构”单胞结构示意图；
图2(a)为具有不同互锁角度的二维“砖泥结构”单胞在y方向上连续线性分布的示意图；
图2(b)为具有不同互锁角度的二维“砖泥结构”单胞在在x方向上阵列，并在y方向上连续线性堆叠后多胞结构的示意图；
图3(a)为具有不同互锁角度的二维“砖泥结构”单胞在y方向上间断线性分布的示意图；
图3(b)为具有不同互锁角度的二维“砖泥结构”单胞在在x方向上阵列，并在y方向上间断线性堆叠后多胞结构的示意图；
图4(a)为具有不同互锁角度的二维“砖泥结构”单胞在y方向上间断阶梯分布的示意图；
图4(b)为具有不同互锁角度的二维“砖泥结构”单胞在在x方向上阵列，并在y方向上间断阶梯堆叠后多胞结构的示意图；
图5(a)为二维可控梯度互锁多胞结构(图3)在x方向承受拉伸载荷时的示意图；
图5(b)为在图5(a)的受力情况下，结构失效破坏后的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细的描述。
本发明为一种基于3D打印的二维可控梯度互锁多胞结构，其基本组成单元为一系列具有不同互锁角度的“砖泥结构”单胞模型。如图1(a)所示，为该单胞模型的原始结构，即经典的“砖泥结构”单胞模型。该单胞模型中包括两个完全相同的长方形增强相1和2。所述两个长方形增强相1和2平行交错排列，相互重叠大约为1/2。其中，增强相1位于单胞4中心，增强相2由位于单胞4的四个角点的四部分区域21、22、23和24组成。因此，增强相1和2共占据五个子区域1、21、22、23和24，加上基体部分3，共同组成了单胞4；
如图1(b)所示，为该结构的典型互锁“砖泥结构”单胞模型，该单胞5同样是由两个完全相同的长方形增强相1′和2′组成。不同的是该模型中的增强相1′和2′具有一定的倾斜角度α，使得基体3′也具有相同的倾斜程度，同时为了保证增强相1′和2′的体积分数保持不变单胞5的横向(y方向)尺寸变小，此时在相邻的增强相1′和2′之间便形成了相互锁结的结构，其中互锁角度等于倾斜角度α。沿用经典“砖泥结构”中增强相的长径比ρ，则该互锁的“砖泥结构”中的互锁角度α和长径比ρ之间需满足关系式：ρ·tanα<1。然后将包含有不同互锁角度的“砖泥结构”在横向(y方向)进行堆叠，再在轴向(x方向)进行周期性排布，最终可以得到二维可控的梯度互锁多胞结构；
如图2所示，具有不同互锁角度的“砖泥结构”单胞在x方向上进行平行阵列，得到一层结构，然后再在y方向上进行连续线性堆叠，就可以得到在x方向上周期性排布、y方向上梯度分布的多胞结构。如图3所示，具有不同互锁角度的“砖泥结构”单胞在x方向上进行平行阵列，得到一层结构，然后再在y方向上进行间断线性堆叠，就可以得到在x方向上周期性排布、y方向上梯度分布的多胞结构。如图4所示，具有不同互锁角度的“砖泥结构”单胞在x方向上进行平行阵列，得到一层结构，然后再在y方向上进行间断阶梯式堆叠，就可以得到在x方向上周期性排布、y方向上梯度分布的多胞结构。在此只是列举出了三种空间排布形式，其他排布形式亦包涵在内。
该二维可控梯度互锁多胞结构可以通过PolyJet三维多材料喷射技术进行3D打印制备，所述的二维梯度互锁多胞结构制备用的材料是光敏树脂。所述的二维可控梯度互锁多胞结构的增强相体积分数范围为62.5％～99％。
如图5(a)所示，对该二维梯度互锁多胞结构进行了准静态拉伸实验模拟。选择图3所示的空间分布形式，具体尺寸为：增强相的长径比ρ为5，互锁角度α的变化范围为0°～8.53°，且在空间上的分布形式为间断线性。具有不同互锁角度的“砖泥结构”单胞在x方向上平行阵列，在y方向上互锁角度间断线性分布，得到一个8×32的含预制裂纹的二维多胞结构。在结构左右两侧施加载荷，沿x方向对其进行准静态拉伸，并在y方向上自由变形。当拉伸应变比例为3.5％的时候，其失效破坏模式如图5(b)所示。由图中可以看出，相比较于经典的“砖泥结构”多胞模型(B-and-M)，梯度互锁多胞模型(GIC)刚度更高，而且表现出了更加明显的裂纹偏转和裂纹桥连等增韧机制，体现了明显的缺陷容限能力，从而更有利于抵抗裂纹扩展。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
