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

1、材料科學(xué)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(zhǔn)則,包括運(yùn)用化學(xué)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(diǎn)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(rèn)為是最有應(yīng)用潛力的結(jié)構(gòu)功能一體化材料。這些超輕點(diǎn)陣材料既可以應(yīng)用于高科技領(lǐng)域,如航天器、航母平臺、大飛機(jī)中,也可以在風(fēng)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(jìn)相關(guān)工程技術(shù)的更新與發(fā)展,也可以促進(jìn)節(jié)約型社

2、會的建設(shè)。
　　第1章首先回顧了金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的構(gòu)型發(fā)展情況,并對復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)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(diǎn)陣材料的相關(guān)制備技術(shù)及研究進(jìn)展。相比于金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的研究,以纖維復(fù)合材料為母體材料的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及微尺度點(diǎn)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(dǎo)

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(diǎn)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(bǔ)現(xiàn)有材料的空白,從而為實際應(yīng)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(fù)合材料點(diǎn)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。面外壓縮試驗證明了空心復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在低密度下的抗屈曲特性得以提高,壓縮強(qiáng)度為相同相對密度下實心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的2倍;單臂剪切實驗結(jié)果表明空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度

4、與點(diǎn)陣桿件及桿件節(jié)點(diǎn)處的強(qiáng)度均有關(guān),且高于相同相對密度下的實心金字塔型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu);在承受面內(nèi)壓縮載荷時,空心金字塔型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與實心金字塔型點(diǎn)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(diǎn)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(fù)合材料點(diǎn)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(yīng)的混雜桿件金字塔型復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。輕木芯混雜桿件

5、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度較實心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)提高了19%;而橡膠芯混雜桿件點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在單位體積上的能量吸收能力超過了空心點(diǎn)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的抗局部沖擊特性得以增強(qiáng),等效阻尼損耗因子卻由于桿內(nèi)橡膠較小的應(yīng)變能貢獻(xiàn)率而略低于空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。然而研究表明,混雜桿件復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)經(jīng)合理設(shè)計后,可擴(kuò)大材料比強(qiáng)度性能庫,同時又能實現(xiàn)點(diǎn)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(dǎo)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(xì)觀尺度上的拉-拉及拉-彎混合型兩類多層級復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),并提出了相應(yīng)的制備方法。對這些結(jié)構(gòu)的壓縮效率進(jìn)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(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)效率相當(dāng),且優(yōu)于其它易屈曲的低階多孔芯材。接下來,詳細(xì)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?fù)錁?gòu)型的效率直接決定了多層級結(jié)構(gòu)的效率,而細(xì)觀尺度結(jié)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型則影響不大。另外,研

7、究表明復(fù)合材料點(diǎn)陣桿件的鋪層方式會影響點(diǎn)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(diǎn)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(fù)合材料點(diǎn)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(rèn)為最有應(yīng)用前景。
　　第5章對美國加州HRL實驗室的聚合物微點(diǎn)陣材料在不同應(yīng)變率下的慣性穩(wěn)定性效應(yīng)進(jìn)行了研究。首先,利用自蔓延波導(dǎo)法制備了七類不同幾何尺寸的柔性聚合物微點(diǎn)陣材料及其夾芯結(jié)構(gòu)。通過DSC和DMA