基于Ashby設(shè)計思想的新型點陣結(jié)構(gòu)——制備工藝與力學性能表征.pdf

1、材料科學家Ashby教授總結(jié)了材料的發(fā)展規(guī)律,并提煉了一系列新材料的設(shè)計準則,包括運用化學知識創(chuàng)造新合金或聚合物、調(diào)控微結(jié)構(gòu)和設(shè)計混雜材料。近年來涌現(xiàn)出來的點陣材料,由于輕質(zhì)高效的結(jié)構(gòu)形式及開放的內(nèi)部空間,而被認為是最有應用潛力的結(jié)構(gòu)功能一體化材料。這些超輕點陣材料既可以應用于高科技領(lǐng)域,如航天器、航母平臺、大飛機中,也可以在風力發(fā)電、家用汽車等民用領(lǐng)域占據(jù)一席之地。大力發(fā)展輕量化材料,能推進相關(guān)工程技術(shù)的更新與發(fā)展,也可以促進節(jié)約型社

2、會的建設(shè)。
　　第1章首先回顧了金屬點陣結(jié)構(gòu)的構(gòu)型發(fā)展情況,并對復合材料點陣結(jié)構(gòu)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了綜述,接著介紹了多層級結(jié)構(gòu)的概念與研究概況,最后總結(jié)了微納尺度點陣材料的相關(guān)制備技術(shù)及研究進展。相比于金屬點陣結(jié)構(gòu)的研究,以纖維復合材料為母體材料的點陣結(jié)構(gòu)及微尺度點陣材料尚處于初級研究階段,結(jié)構(gòu)形式及桿件類型都顯單一,且在低密度時易發(fā)生桿件屈曲破壞從而降低了這類結(jié)構(gòu)的性能。為此,本文的研究目的是以Ashby的一系列設(shè)計思想為指導

3、,從原始設(shè)計上提高結(jié)構(gòu)的抗屈曲特性并發(fā)展新型點陣結(jié)構(gòu),希望可以豐富現(xiàn)有材料的結(jié)構(gòu)形式,并在最終性能上填補現(xiàn)有材料的空白,從而為實際應用提供更多的選擇。
　　第2章基于微結(jié)構(gòu)設(shè)計的思想發(fā)展了空心金字塔型復合材料點陣結(jié)構(gòu),并利用熱膨脹模塑成型法首次制備出不同相對密度的空心點陣結(jié)構(gòu)。面外壓縮試驗證明了空心復合材料點陣結(jié)構(gòu)在低密度下的抗屈曲特性得以提高,壓縮強度為相同相對密度下實心點陣結(jié)構(gòu)的2倍;單臂剪切實驗結(jié)果表明空心點陣結(jié)構(gòu)的剪切強度

4、與點陣桿件及桿件節(jié)點處的強度均有關(guān),且高于相同相對密度下的實心金字塔型點陣結(jié)構(gòu);在承受面內(nèi)壓縮載荷時,空心金字塔型點陣結(jié)構(gòu)與實心金字塔型點陣結(jié)構(gòu)的承載效率相同,經(jīng)最小質(zhì)量設(shè)計后的點陣結(jié)構(gòu),在承受相同載荷時分別比聚合物泡沫夾芯結(jié)構(gòu)和金屬泡沫夾芯結(jié)構(gòu)減重17％和21%。
　　第3章基于材料混雜設(shè)計的思想,提出了混雜桿件復合材料點陣結(jié)構(gòu)的概念。選擇了輕木和硅橡膠兩種桿內(nèi)芯材,并制備出相應的混雜桿件金字塔型復合材料點陣結(jié)構(gòu)。輕木芯混雜桿件

5、點陣結(jié)構(gòu)的比強度較實心點陣結(jié)構(gòu)提高了19%;而橡膠芯混雜桿件點陣結(jié)構(gòu)在單位體積上的能量吸收能力超過了空心點陣結(jié)構(gòu),但單位質(zhì)量吸收的能量有所降低;另外,桿內(nèi)填充橡膠后,點陣結(jié)構(gòu)的抗局部沖擊特性得以增強,等效阻尼損耗因子卻由于桿內(nèi)橡膠較小的應變能貢獻率而略低于空心點陣結(jié)構(gòu)。然而研究表明,混雜桿件復合材料點陣結(jié)構(gòu)經(jīng)合理設(shè)計后,可擴大材料比強度性能庫,同時又能實現(xiàn)點陣結(jié)構(gòu)的多功能化。
　　第4章基于多層級構(gòu)造思想,發(fā)展了拉伸或彎曲主導構(gòu)型

6、在不同尺度上混合的多層級結(jié)構(gòu),分別為宏-細觀尺度上的拉-拉及拉-彎混合型兩類多層級復合材料點陣結(jié)構(gòu),并提出了相應的制備方法。對這些結(jié)構(gòu)的壓縮效率進行評估,發(fā)現(xiàn)這兩類多層級結(jié)構(gòu)與優(yōu)化后的空心金字塔型復合材料點陣結(jié)構(gòu)效率相當,且優(yōu)于其它易屈曲的低階多孔芯材。接下來,詳細探討了不同尺度結(jié)構(gòu)構(gòu)型對多層級結(jié)構(gòu)性能的影響,發(fā)現(xiàn)對于經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的多級結(jié)構(gòu),宏觀尺度結(jié)構(gòu)拓撲構(gòu)型的效率直接決定了多層級結(jié)構(gòu)的效率,而細觀尺度結(jié)構(gòu)拓撲構(gòu)型則影響不大。另外,研

7、究表明復合材料點陣桿件的鋪層方式會影響點陣結(jié)構(gòu)的效率,在承受面外壓縮時,按面內(nèi)方向鋪層形成的點陣結(jié)構(gòu)壓縮效率更高,本章中所發(fā)展的按面內(nèi)方向鋪層的拉-彎混合型多層級復合材料點陣結(jié)構(gòu),由于宏觀尺寸小、結(jié)構(gòu)效率高及制備工藝簡單而被認為最有應用前景。
　　第5章對美國加州HRL實驗室的聚合物微點陣材料在不同應變率下的慣性穩(wěn)定性效應進行了研究。首先,利用自蔓延波導法制備了七類不同幾何尺寸的柔性聚合物微點陣材料及其夾芯結(jié)構(gòu)。通過DSC和DMA