專利名稱：一種具非貫通式空腔分布的中空型輕質(zhì)仿生結(jié)構(gòu)板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種中空型、輕質(zhì)仿生結(jié)構(gòu)板，適用于用于航空航天領(lǐng)域、工程領(lǐng)域及裝修領(lǐng)域等所使用的新型復(fù)合材料中，在保證其材料性能的同時，可大大降低整個材料的比重，達(dá)到輕質(zhì)化設(shè)計(jì)目的。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，能源消耗過快的問題也成為全世界密切關(guān)注的核心問題，在全球能源有限的前提下，如何有效地節(jié)省能源成為可持續(xù)發(fā)展的重要方法之一。而在航空航天及工程等領(lǐng)域，機(jī)器本身的自重已消耗了大部分的能源，因而如何有效地減輕機(jī)器本身的重量而不影響其性能發(fā)揮成為技術(shù)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。在此背景下，具備輕質(zhì)化且高比強(qiáng)度復(fù)合材料的發(fā)展和技術(shù)更新顯得日益迫切。a)汽車工業(yè)對材料輕質(zhì)化的需求
自從1886年汽車誕生后，歷經(jīng)100多年的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人類社會不可缺少的交通運(yùn)輸工具之一。社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)和制造的要求越來越越高，集中反應(yīng)在潔凈化、安全化、輕量化、舒適化、信息化等五大方面，其中對輕量化的要求尤為緊迫。首先，汽車輕量化是節(jié)能的需求。有研究表明汽車自身重量每減輕100kg，則IOOkm的燃油消耗量可減少0.2^0.8L，約為4.5%左右。減輕汽車自重，是提高汽車的節(jié)能性和環(huán)保性、降低燃油消耗及減少排放最有效的措施之一。其次，汽車輕量化是環(huán)保的要求。汽車的油耗主要取決于發(fā)動機(jī)的排放量和汽車的自重，減少排量受到保證動力性的限制，出路正是材料的輕質(zhì)化。b)航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧陷p質(zhì)化的需求
材料輕質(zhì)化是同時也是航空航天領(lǐng)域的重要研究課題之一。統(tǒng)計(jì)表明，對商用飛機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)和衛(wèi)星、空間站等·飛行器，每減少I磅的結(jié)構(gòu)重量，能帶來的經(jīng)濟(jì)效益分別約為300、3000和30000美元。采用輕合金材料和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化的主要途徑，現(xiàn)有的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)如皺褶結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、泡沫鋁等，因其制造工藝復(fù)雜等因素而使其廣泛應(yīng)用受到一定的限制。從仿生學(xué)的角度出發(fā)，向大自然尋求仿生設(shè)計(jì)的靈感一直是人類取得各種突破的新方向?？傮w看來，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)形設(shè)計(jì)方面迫切需要更多新的理念和設(shè)計(jì)方法。隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，單純輕質(zhì)化的材料已不能滿足工業(yè)及航空航天發(fā)展的需求，為尋找兼具輕質(zhì)化且滿足多功能需求的先進(jìn)新型復(fù)合材料成為工程材料發(fā)展的新方向。本發(fā)明設(shè)計(jì)出了一種具非貫通式空腔分布的中空型輕質(zhì)仿生結(jié)構(gòu)，該仿生結(jié)構(gòu)為一種中空型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部空腔間呈正多邊型分布，空腔為球形或橢球形，空腔間相互不貫通。該結(jié)構(gòu)占空比跨度大，強(qiáng)度高且生產(chǎn)工藝簡單。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明依據(jù)東方龍虱鞘翅的結(jié)構(gòu)原理，提供一種中間為非貫通式空腔的中空型仿生結(jié)構(gòu)板，從材料結(jié)構(gòu)的角度來解決工程材料對材料輕質(zhì)化的需求問題。本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種中間為非貫通式空腔的中空型仿生結(jié)構(gòu)板，從上到下依次由上面板、中間空腔夾芯層和下面板組成，所述中間空腔夾芯層內(nèi)部分布有大量的空腔，所述空腔相互之間不貫通，且所述各空腔的中心連線呈正多邊形排列，所述任意相鄰的兩個空腔之間分布一個圓柱形空腔。上述方案中，所述上面板的表面或所述下面板的表面為平面或曲面，所述上面板或下面板的材料為金屬材料、合金材料或高分子復(fù)合材料。上述方案中，所述中間空腔夾芯層的材料為復(fù)合材料。上述方案中，所述空腔可以為球形空腔或橢球形空腔。上述方案中，各空腔的中心連線呈正六邊形排列。

本發(fā)明的技術(shù)效果:本發(fā)明提供的一種具非貫通式空腔分布的中空型輕質(zhì)仿生結(jié)構(gòu)板，具有較大的占空比，在實(shí)現(xiàn)材料輕質(zhì)化的同時能夠滿足材料強(qiáng)度等力學(xué)性能的需求，在航天航空等高科技產(chǎn)業(yè)中具有十分廣泛的應(yīng)用，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)價值。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一歩詳細(xì)的說明。

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1沿橫向截面截開后的截面示意圖。圖3為圖1沿B-B向截開的截面示意圖。圖4為圖1沿A-A向截開的向截面圖。圖中，1、上面板；2、中間空腔夾芯層；3、下面板；4、空腔；5、圓柱形空腔。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖來對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。該仿生結(jié)構(gòu)板如圖1所示和圖2所示，從上到下依次由上面板1、中間空腔夾芯層2和下面板3構(gòu)成，其中中間空腔夾芯層2內(nèi)部分布有大量的空腔4，空腔4可以為球形空腔或橢球形空腔(本實(shí)施例中的空腔4為球形空腔)，所述空腔4相互之間不貫通，且各空腔的中心連線呈正多邊形排列(本實(shí)施例中的各空腔中心連線呈正六邊形排列)。在任意相鄰的兩個空腔間還分布一個圓柱形空腔5。這種結(jié)構(gòu)，任意一個正多邊形空腔可視為一個單胞，整個中間空腔夾芯層是由多個單胞緊密排列而成，能夠有效減小應(yīng)力集中。上、下面板表面為平面或曲面，上、下面板材料為金屬材料、合金材料或高分子復(fù)合材料等，如果是復(fù)合材料，可以為層疊復(fù)合材料，層與層之間可以按任意角度鋪設(shè)而成，常見的鋪設(shè)角度如30°，45° ,60° ,90° ,120° ,135° ,150°等。中間空腔夾芯層的材料一般采用復(fù)合材料來保證該結(jié)構(gòu)的性能，同時減輕該結(jié)構(gòu)的重量，做到輕質(zhì)化設(shè)計(jì)。通過對本發(fā)明的仿生結(jié)構(gòu)層進(jìn)行拉伸和彎曲實(shí)驗(yàn)，得到該中空型輕質(zhì)仿生結(jié)構(gòu)板的占空比約為30%，其強(qiáng)度極限為169.2^194.5Mpa ;比強(qiáng)度為0.20、.22 (比強(qiáng)度定義為材料的強(qiáng)度除以材料的比重)，與超輕質(zhì)鎂鋰合金(0.16、.21)相當(dāng)，表現(xiàn)出了良好的力學(xué)性能，能夠作為一種輕質(zhì)材料廣泛的適用于抗壓、抗拉、抗彎、抗沖擊強(qiáng)度等場合。
權(quán)利要求
1.一種中間為非貫通式空腔的中空型仿生結(jié)構(gòu)板，從上到下依次由上面板(I)、中間空腔夾芯層(2)和下面板(3)組成，其特征在于所述中間空腔夾芯層(2)內(nèi)部分布有大量的空腔(4)，所述空腔(4)相互之間不貫通，且所述各空腔(4)的中心連線呈正多邊形排列，所述任意相鄰的兩個空腔(4)之間分布一個圓柱形空腔(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種中間為非貫通式空腔的中空型仿生結(jié)構(gòu)板，其特征在于所述上面板(I)的表面或所述下面板(3)的表面為平面或曲面，所述上面板(I)或下面板(3)的材料為金屬材料、合金材料或高分子復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種中間為非貫通式空腔的中空型仿生結(jié)構(gòu)板，其特征在于所述中間空腔夾芯層(2)的材料為復(fù)合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種中間為非貫通式空腔的中空型仿生結(jié)構(gòu)板，其特征在于所述空腔(4)為球形空腔或橢球形空腔。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種中間為非貫通式空腔的中空型仿生結(jié)構(gòu)板，其特征在于所述各空腔(4)的中心連線呈正六邊形排列。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種中間為非貫通式空腔的中空型仿生結(jié)構(gòu)板，從上到下依次由上面板、中間空腔夾芯層和下面板組成，所述中間空腔夾芯層內(nèi)部分布有大量的空腔，所述空腔相互之間不貫通，且所述各空腔的中心連線呈正多邊形排列，所述任意相鄰的兩個空腔之間分布一個圓柱形空腔。 具有較大的占空比，在實(shí)現(xiàn)材料輕質(zhì)化的同時能夠滿足材料強(qiáng)度等力學(xué)性能的需求，在航天航空等高科技產(chǎn)業(yè)中具有十分廣泛的應(yīng)用，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)價值。
文檔編號B32B3/26GK103252930SQ2013102144
公開日2013年8月21日 申請日期2013年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年6月3日
發(fā)明者楊志賢, 王運(yùn)動, 鄭陽, 馬如宇, 劉澤華, 張永康 申請人:江蘇大學(xué)