【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及抗冲击防护，具体涉及一种基于bouligand结构的仿生抗冲击夹层板及其制备方法与应用。
技术介绍
1、轻质量高强度的材料与结构可以运用于航空航天、汽车应用、生物医疗等领域。在其中夹层结构设计起到了非常重要的作用，与整体结构相比，它允许更高的质量-弯曲刚度。夹层结构通常由两个很薄的蒙皮和轻质的芯层组成，上下蒙皮承受较大弯矩，中间的芯层用于分离蒙皮，增加弯曲强度、承受横向剪切载荷和承受垂直于夹层表面的压缩载荷。
2、在航空航天、生物医疗等领域中，许多灾难性失效都是由于受到了不同能量的冲击而导致。受到不同能量冲击时，夹层结构会发生四种破坏：蒙皮与芯层之间的分层，冲击物体下部芯层的压缩，压缩芯层与边界之间的剪切破坏和底部的垂直贯穿裂纹。
3、传统方法制备夹层结构主要是通过将蒙皮与芯层粘接，受到冲击时，发生的破坏主要是蒙皮与芯层之间发生脱层，其次才是蒙皮及芯层部分的损伤。原因是蒙皮与芯层间使用粘结剂连接，粘接剂强度较蒙皮与芯层材料的强度有着巨大差距，存在显著应力，这严重局限了夹层结构的吸能情况。
4、增材制造方法以数字化模型为基础，运用粉末金属和聚合物丝材，通过逐层打印的方法来构造复杂结构。器件制备过程中材料强度统一，界面存在的应力较小，可以较好的解决传统夹层结构蒙皮与芯层分层的问题。
5、以蜂窝为代表的传统夹层结构，中间的芯层都是由垂直的直壁组成，在冲击作用下压缩区域会发生屈曲和分层，垂直贯穿裂纹区域会发生垂直的脆性裂纹，垂直裂纹贯穿夹层结构，吸收能量少，比能量吸收低，韧性
6、公开号为cn 115846687 a的专利文献公开了一种bouligand螺旋堆叠结构，包括bouligand螺旋堆叠母体结构和具有梯度变化的蜂窝结构；所述bouligand螺旋堆叠母体结构包括多个依次同向旋转预设角度堆叠的基元结构；基元结构包括多个同向紧密排列的空心圆柱管；具有梯度变化的蜂窝结构填充于每个所述空心圆柱管内。
7、公告号为cn 110329551 b的专利文献公开了一种基于slm成形的仿生多功能热防护结构，采用slm技术实现结构的成形，由面板层和功能层组成，其中功能层包括若干中空管状的大结构管，各大结构管层叠并联结形成蜂窝结构，相邻层的管之间保证一定尺寸的交联，确保结构获得牢固的连接。
8、bouligand结构由单向纤维薄层螺旋堆叠而成，这种结构组织广泛存在于天然生物材料中，表现出卓越的力学性能。独特的螺旋组织和不连续性使得材料间能够通过裂纹扭曲和纤维桥接实现协同增韧。通过bouligand结构可以使贯穿垂直裂纹发生偏折，生成扭曲裂纹，增大吸收能量与韧性，增强抗冲击性能。
技术实现思路
1、为解决上述现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于bouligand结构的仿生抗冲击夹层板，该仿生抗冲击夹层板具有优异的抗冲击性能，可以起到极佳的吸能效果，大幅提高比吸能和比强度，从而对物体起到高速冲击下的保护作用。
2、一种基于bouligand结构的仿生抗冲击夹层板，包括bouligand螺旋堆叠母体结构，所述的bouligand螺旋堆叠母体结构由多个基元结构依次按照预设角度同向旋转堆叠而成，所述的基元结构包括上下隔板以及平行均布在的上下隔板之间且垂直于上下隔板平面的不对称壁，所述的不对称壁呈上下振幅不同，频率相同的三角函数形状。
3、本专利技术通过大自然中的仿生结构，结合不同增韧机制，将bouligand结构进行优化，仿生抗冲击夹层板结构通过梯度振幅的不对称壁与不同角度的bouligand结构可以对裂纹的路径进行偏折和不对称壁的折叠屈曲，充分吸收冲击能量，提高了比吸能和比强度，可以起到优秀的防护效果。
4、优选地，所述的不对称壁的高度为h1，顶面和底面轮廓函数的中心线s1和s2满足以下方程：
5、s1＝a1sin(ω1x)
6、s2＝a2sin(ω2x)
7、其中，a1，a2分别为不对称壁顶部和底部的振幅，ω1，ω2分别为不对称壁顶部和底部的频率，d1为不对称壁的宽度，，a1:a2:d1:h1＝(1～4):(1～4):(2～4):(8～16)，ω1和ω2的取值范围为0.2π～2π(π为圆周率)。
8、在此数值之内，不对称壁呈现出韧性破坏，改变了其他数值范围内不对称壁脆性破坏的行为，裂纹路径从垂直贯穿转变成倾斜扭转，增加了能量吸收。在落锤冲击测试下，峰值载荷提升了近50％，平台宽度提升了近10％。
9、优选地，所述的基元结构中不对称壁的数量n1根据实际需要决定。
10、优选地，所述的相邻不对称壁间的间距为d2，上下底板的厚度为d3，其中1≤d2:d1≤6，1≤h1:d3≤4。
11、不对称壁的宽度与不对称壁之间的间距来控制基元结构的填充率，当基元结构的填充率在30％以下时，基元结构的比吸能较其他范围提升30％以上，因此优选以上参数。
12、优选地，所述的bouligand螺旋堆叠母体结构中基元结构的数量n2根据实际用途决定。
13、优选地，所述的预设角度α范围为5°≤α≤15°。
14、优选地，所述的bouligand螺旋堆叠母体结构的材料为聚乳酸pla、热塑性聚氨酯tpu或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料abs。
15、优选地，所述的bouligand螺旋堆叠母体结构的材料呈丝状，直径为1.75～2.85mm。
16、优选地，所述的仿生抗冲击夹层板的抗冲击性能达1.4j/g以上，较传统夹层板结构比吸能提升50％以上。
17、本专利技术还提供了一种基于bouligand结构的仿生抗冲击夹层板的制备方法，采用增材制造的方法进行制造。
18、优选地，所述的采用增材制造方法制备基于bouligand结构的仿生抗冲击夹层板的步骤为：
19、(1)建立所述的bouligand螺旋堆叠母体结构模型的三维数字模型；
20、(2)对三维数字模型进行二维化处理，得到二维切片数据；
21、(3)将二维切片数据输入至熔融挤出增材制造设备中进行运算，得到打印机的运行路径；
22、(4)在熔融挤出增材制造设备中进行打印准备工作，得到目标结构。
23、本专利技术还提供了所述的基于bouligand结构的仿生抗冲击夹层板在航天航空、汽车防护或生物医疗领域中的应用。本专利技术的基于bouligand结构的仿生抗冲击夹层板具有优异的抗冲击性能，可以起到极佳的吸能效果，大幅提高比吸能和比强度，从而对物体起到高速冲击下的保护作用，可应用于航天航空、汽车防护或生物医疗领域中。
24、与现有技术相比，本专利技术的优势在于：
25、本专利技术通过大自然中的仿生结构，结合不同增韧机制，将bouligand结构进行优化，仿生抗冲击夹层板结构通过梯度振幅的不对称壁与不同角度的bouligand结构可以对裂纹的路径进行偏折和不对称壁的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于Bouligand结构的仿生抗冲击夹层板，其特征在于，包括Bouligand螺旋堆叠母体结构，所述的Bouligand螺旋堆叠母体结构由多个基元结构依次按照预设角度同向旋转堆叠而成，所述的基元结构包括上下隔板以及平行均布的在上下隔板之间且垂直于上下隔板平面的不对称壁，所述的不对称壁呈上下振幅不同，周期相同的三角函数形状。
2.根据权利要求1所述的基于Bouligand结构的仿生抗冲击夹层板，其特征在于，所述的不对称壁的高度为H1，顶面和底面轮廓函数的中心线S1和S2满足以下方程：
3.根据权利要求2所述的基于Bouligand结构的仿生抗冲击夹层板，其特征在于，所述的相邻不对称壁间的间距为D2，上下底板的厚度为D3，其中1≤D2:D1≤6，1≤H1:D3≤4。
4.根据权利要求1所述的基于Bouligand结构的仿生抗冲击夹层板，其特征在于，所述的预设角度α范围为5°≤α≤15°。
5.根据权利要求1所述的基于Bouligand结构的仿生抗冲击夹层板，其特征在于，所述的Bouligand螺旋堆叠母体结构的材料为聚乳酸、热
6.根据权利要求5所述的基于Bouligand结构的仿生抗冲击夹层板，其特征在于，所述的Bouligand螺旋堆叠母体结构的材料呈丝状，直径为1.75～2.85mm。
7.根据权利要求1所述的基于Bouligand结构的仿生抗冲击夹层板，其特征在于，所述的仿生抗冲击夹层板的抗冲击性能比吸能达1.4J/g以上。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的基于Bouligand结构的仿生抗冲击夹层板的制备方法，其特征在于，采用增材制造的方法进行制造。
9.根据权利要求8所述的基于Bouligand结构的仿生抗冲击夹层板的制备方法，其特征在于，所述的采用增材制造方法制备基于Bouligand结构的仿生抗冲击夹层板的步骤为：
10.根据权利要求1-7中任一项所述的基于Bouligand结构的仿生抗冲击夹层板在航天航空、汽车防护或生物医疗领域中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种基于bouligand结构的仿生抗冲击夹层板，其特征在于，包括bouligand螺旋堆叠母体结构，所述的bouligand螺旋堆叠母体结构由多个基元结构依次按照预设角度同向旋转堆叠而成，所述的基元结构包括上下隔板以及平行均布的在上下隔板之间且垂直于上下隔板平面的不对称壁，所述的不对称壁呈上下振幅不同，周期相同的三角函数形状。
2.根据权利要求1所述的基于bouligand结构的仿生抗冲击夹层板，其特征在于，所述的不对称壁的高度为h1，顶面和底面轮廓函数的中心线s1和s2满足以下方程：
3.根据权利要求2所述的基于bouligand结构的仿生抗冲击夹层板，其特征在于，所述的相邻不对称壁间的间距为d2，上下底板的厚度为d3，其中1≤d2:d1≤6，1≤h1:d3≤4。
4.根据权利要求1所述的基于bouligand结构的仿生抗冲击夹层板，其特征在于，所述的预设角度α范围为5°≤α≤15°。
5.根据权利要求1所述的基于bouligand结构的仿生抗冲击夹层板...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭建军，陈剑刚，程昱川，孙爱华，许高杰，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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