CN114474785B - 一种基于增材制造的3d多组分复合拉胀超构材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于增材制造的3D多组分复合拉胀超构材料，该复合材料包括3D拉胀超构材料、聚合物填充材料和方管三种组分。3D拉胀超构材料的基体材料为工业纯铝，且单胞结构为内凹蜂窝型，通过增材制造结合熔模铸造法获得；聚合物填充材料为环氧树脂及环氧树脂蒙脱土填充材料，方管为不锈钢方管。本发明巧妙根据3D拉胀超构材料结构特征及负泊松比效应，通过内部填充两种聚合物，外部增加不锈钢管形成内外约束，获得3D多组分复合拉胀超构材料，有效地提高了拉胀超构材料结构利用率。通过本发明涉及方法工艺所获得3D多组分复合拉胀超构材料呈现优异的力学性能及吸能特性，有效克服了拉胀超构材料高孔隙率及弯曲变形特性引起的性能不足，为拉胀超构材料性能优化提供理论基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料技术领域，具体是一种基于增材制造的3D多组分复合拉胀超构材料。
背景技术
拉胀超构材料是一类具有负泊松比效应的材料，因其特殊负泊松比效应，使其相比于传统材料具有更加优异的力学和物理特性，包括剪切模量、断裂韧性、高抗冲击和能量吸收能力、压痕阻力以及高阻尼等,并且在轻质结构、减振和冲击防护装置、传感器及医学等领域有广泛的应用前景。作为集结构与功能一体化新材料，巧妙结合自然界传统材料实现材料创新设计，充分挖掘材料潜力，为发展具有特殊力学属性材料与结构提供了全新的方向和途径，成为近年来国内外研究前沿领域。
拉胀超构材料几何结构基本通过引入凹角结构、手性结构、旋转刚性结构或折纸结构实现。材料结构大多具有较高孔隙率，不可避免降低承载力和力学性能。与块体材料相比，通过牺牲拉胀超构材料强度和刚度，获得其抗剪切性、抗凹陷性及能量吸收等特性，通常所获得材料性能未能弥补由材料多孔微结构导致的力学性能损失，显著降低其负泊松比行为优点，尤其在能量吸收设备或保护装置中。且材料变形主要为弯曲主导型，即负泊松比效应实现主要通过杆的弯曲旋转，进一步降低材料刚度和强度，对材料实际应用非常不利。鉴于此，研究获得兼具负泊松比特性及合理刚度、强度、吸能性的拉胀超构材料，进一步为其实际应用提供理论指导和实验依据尤为关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于增材制造的3D多组分复合拉胀超构材料，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于增材制造的3D多组分复合拉胀超构材料，包括3D拉胀超构材料、聚合物填充材料和方管，所述3D拉胀超构材料的基体材料为工业纯铝，3D拉胀超构材料的单胞为内凹蜂窝型，聚合物为环氧树脂填充材料、环氧树脂蒙脱土填充材料及稀释剂，方管为不锈钢方管。
作为本发明进一步的方案：所述3D拉胀超构材料单胞杆元直径D为0.8～1.2mm，横杆长H为4.2mm，内凹杆长L为2.5mm，内凹角为70°，材料沿X方向单胞个数为5，材料沿Y方向单胞个数为5，材料沿Z方向单胞个数为3。
作为本发明再进一步的方案：所述环氧树脂填充材料包括环氧树脂1-7份，增韧剂2-4份，硬化剂1-4份。
作为本发明再进一步的方案：所述环氧树脂蒙脱土填充材料包括环氧树脂填充材料4-7份，纳米蒙托土3-6份。
作为本发明再进一步的方案：所述环氧树脂为E-44型环氧树脂，增韧剂为DBP，硬化剂为T31硬化剂。
作为本发明再进一步的方案：所述稀释剂为丙酮。
一种基于3D多组分复合拉胀超构材料，所述制备方法步骤如下：
步骤一：增材制造，采用增材制造的方式制备3D拉胀超构材料光敏树脂模型；
步骤二：熔模铸造，通过3D拉胀超构材料模型采用工业纯铝通过熔模铸造、干燥、烘干、阶梯升温、焙烧及渗流获得3D铝基拉胀超构材料；
步骤三：聚合物制备，将环氧树脂、增韧剂和硬化剂按照比例混合获得环氧树脂填充材料，将制得的环氧树脂填充材料取二分之一，继续按照配比添加纳米蒙托土，得到环氧树脂蒙脱土填充材料，将环氧树脂填充材料和环氧树脂蒙脱土填充材料放入恒温容器内，加热至70℃，同时加入稀释剂，充分搅拌均匀至混合物具有良好流动性，从而得到聚合物填充材料；
步骤四：3D多组分复合拉胀超构材料复合，将聚合物通过压力填入法渗透进入3D铝基拉胀超构材料结构间隙中，获得复合拉胀超构材料，将复合拉胀超构材料填充至不锈钢方管中，获得3D多组分复合拉胀超构材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明巧妙根据3D拉胀超构材料结构特征及特殊负泊松比效应，通过内部填充聚合物，外部增加不锈钢方管形成内外约束，获得3D多组分复合拉胀超构材料，有效地提高了拉胀超构材料结构利用率。
2、通过本发明涉及方法工艺所获得3D多组分复合拉胀超构材料呈现优异的力学性能及吸能特性，克服了拉胀超构材料高孔隙率及弯曲变形特性引起的性能不足。
附图说明
图1为一种基于增材制造3D多组分复合拉胀超构材料中3D拉胀超构材料结构参数。
图2为一种基于增材制造3D多组分复合拉胀超构材料中3D铝基拉胀超构材料。
图3为一种基于增材制造3D多组分复合拉胀超构材料中3D复合拉胀超构材料。
图4为一种基于增材制造3D多组分复合拉胀超构材料。
图5为一种基于增材制造3D多组分复合拉胀超构材料有限元模型。
图6为一种基于增材制造的3D多组分复合拉胀超构材料中不锈钢方管有限元模型。
图7为一种基于增材制造的3D多组分复合拉胀超构材料中不锈钢方管米塞斯应力分布。
图8为一种基于增材制造3D多组分复合拉胀超构材料(填充材料为环氧树脂)中不锈钢方管米塞斯应力分布。
图9为一种基于增材制造3D多组分复合拉胀超构材料(填充材料为环氧树脂蒙脱土)中不锈钢空方管米塞斯应力分布图。
图10为一种基于增材制造3D多组分复合拉胀超构材料及不锈钢方管应力应变曲线图一。
图11为一种基于增材制造3D多组分复合拉胀超构材料及不锈钢方管应力应变曲线图二。
图12为一种基于增材制造3D多组分复合拉胀超构材料及不锈钢方管应力应变曲线图三。
图13为一种基于增材制造3D多组分复合拉胀超构材料及不锈钢方管能量吸收曲线图一。
图14为一种基于增材制造3D多组分复合拉胀超构材料及不锈钢方管能量吸收曲线图二。
图15为一种基于增材制造3D多组分复合拉胀超构材料及不锈钢方管能量吸收曲线图三。
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。
请参阅图1～15，本发明实施例中，一种基于增材制造的3D多组分复合拉胀超构材料，包括3D拉胀超构材料、聚合物和方管，所述3D拉胀超构材料的基体材料为工业纯铝，3D拉胀超构材料的单胞为内凹蜂窝型，聚合物为环氧树脂填充材料、环氧树脂蒙脱土填充材料和稀释剂，方管为不锈钢方管。
所述3D拉胀超构材料单胞杆元直径D为0.8～1.2mm，横杆长H为4.2mm，内凹杆长L为2.5mm，内凹角为70°，材料沿X方向单胞个数为5，材料沿Y方向单胞个数为5，材料沿Z方向单胞个数为3。
所述环氧树脂填充材料包括环氧树脂1-7份，增韧剂2-4份，硬化剂1-4份。
所述环氧树脂蒙脱土填充材料包括环氧树脂填充材料4-7份，纳米蒙托土3-6份。
所述环氧树脂为E-44型环氧树脂，增韧剂为DBP增韧剂，硬化剂为T31硬化剂。
所述稀释剂为丙酮。
一种基于增材制造的3D多组分复合拉胀超构材料，所述制备方法步骤如下：
步骤一：增材制造，采用增材制造的方式制备3D拉胀超构材料模型；
步骤二：熔模铸造，基于3D拉胀超构材料模型采用工业纯铝通过熔模铸造、干燥、烘干、阶梯升温、焙烧及加压渗流获得3D铝基拉胀超构材料；
步骤三：聚合物填充材料制备，将环氧树脂、增韧剂和硬化剂按照比例混合获得环氧树脂填充材料，将制得的环氧树脂填充材料取二分之一，继续按照配比添加纳米蒙托土，得到环氧树脂蒙脱土填充材料，将环氧树脂填充材料和环氧树脂蒙脱土填充材料放入恒温容器内，加热至70℃，同时加入稀释剂，充分搅拌均匀至混合物具有良好流动性，从而获得聚合物填充材料；
步骤四：基于增材制造的3D多组分复合拉胀超构材料复合，将聚合物通过压力填入法渗透进入3D铝基拉胀超构材料结构间隙中，获得复合拉胀超构材料，将复合拉胀超构材料填充至不锈钢方管中，获得3D多组分复合拉胀超构材料。
所述不锈钢方管尺寸为长＝30mm,宽＝20mm,高＝14mm,壁厚＝2mm，
采用ABAQUS/Explicit进行有限元模拟分析。其中，不锈钢方管和填充材料(环氧树脂或环氧树脂蒙脱土)采用八节点一阶全积分六面体单元，单元最大尺寸为0.0005mm；3D拉胀超构材料(铝)采用四节点一阶四面体单元，单元最大尺寸为0.0003。拉胀超构材料与填充材料之间采用嵌入式约束连接，填充材料与不锈钢方管之间设置面面接触。模型为对称结构，为节省计算时间，采用1/4模型进行数值计算，对称面设置对称边界条件。建立的有限元分析模型及边界条件。
采用ISTRON 3369材料测试***进行压缩试验，压缩速率为2mm/min，获得材料的压缩应力应变曲线。
根据模拟结果，当应变相同时，由于3D多组分复合拉胀超构材料中各组分基体材料之间相互制约及界面摩擦作用，不锈钢方管米塞斯应力明现大于未填充方管中应力。进一步结合应力应变曲线及细吸能曲线可看出，3D多组分复合拉胀超构材料力学性能及吸能性能具有明显提高。
表1 3D拉胀超构材料结构参数
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于增材制造的3D多组分复合拉胀超构材料，包括3D拉胀超构材料、聚合物填充材料和方管，其特征在于：所述3D拉胀超构材料的基体材料为工业纯铝，3D拉胀超构材料的单胞为内凹蜂窝型，聚合物填充材料为环氧树脂、环氧树脂蒙脱土及稀释剂，方管为不锈钢方管，制备方法步骤如下：
步骤一：增材制造，采用增材制造的方式制备3D拉胀超构材料光敏树脂模型；
步骤二：熔模铸造，基于3D拉胀超构材料模型采用工业纯铝通过熔模铸造、干燥、烘干、阶梯升温、焙烧及加压渗流获得3D铝基拉胀超构材料；
步骤三：聚合物填充材料制备，将环氧树脂、增韧剂和硬化剂按照比例混合获得环氧树脂填充材料，将制得的环氧树脂填充材料取二分之一，继续按照配比添加纳米蒙托土，得到环氧树脂蒙脱土填充材料，将环氧树脂填充材料和环氧树脂蒙脱土填充材料放入恒温容器内，加热至70℃，同时加入稀释剂，充分搅拌均匀至混合物具有良好流动性，从而获得聚合物填充材料；
步骤四：3D多组分复合拉胀超构材料复合，将聚合物通过压力填入法渗透进入3D铝基拉胀超构材料结构间隙中，获得复合拉胀超构材料，将复合拉胀超构材料填充至不锈钢方管中，获得3D多组分复合拉胀超构材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于增材制造的3D多组分复合拉胀超构材料，其特征在于：所述3D拉胀超构材料单胞杆元直径D为0.8～1.2mm，横杆长H为4.2mm，内凹杆长L为2.5mm，内凹角为70°，材料沿X方向单胞个数为5，材料沿Y方向单胞个数为5，材料沿Z方向单胞个数为3。
3.根据权利要求1所述的一种基于增材制造的3D多组分复合拉胀超构材料，其特征在于：环氧树脂填充材料包括环氧树脂1-7份，增韧剂2-4份，硬化剂1-4份。
4.根据权利要求1所述的一种基于增材制造的3D多组分复合拉胀超构材料，其特征在于：环氧树脂蒙脱土填充材料包括环氧树脂填充材料4-7份，纳米蒙托土3-6份。
5.根据权利要求3所述的一种基于增材制造的3D多组分复合拉胀超构材料，其特征在于：所述环氧树脂为E-44型环氧树脂，增韧剂为DBP增韧剂，硬化剂为T31硬化剂。
6.根据权利要求1所述的一种基于增材制造的3D多组分复合拉胀超构材料，其特征在于：所述稀释剂为丙酮。
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