[发明专利]一种泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板及制备方法

说明书

本发明涉及一种泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板及制备方法，由三周期极小曲面多孔结构胞元组成的芯子置于上面板和下面板之间，芯子的极小曲面多孔结构中还填充有一定密度的泡沫材料。在受到面板外部冲击压缩载荷作用时，由于泡沫填充材料与极小曲面多孔结构之间的接触耦合作用，改变了夹芯板整体结构的变形模式，使得该泡沫填充三周期极小曲面多孔复合结构的力学性能较空心极小曲面多孔结构有显著提升，可以发挥极小曲面多孔结构壁面弯曲与泡沫材料压缩两种塑性变形时相互作用的能量吸收增强效应。外层面板与内层面板连接，内层面板与芯子一体化打印融合而成，有利于芯子和面板之间的牢固连接，又方便内外层面板在材料、厚度的优化配置。

技术领域

本发明涉及抗冲击防护技术领域，具体涉及一种泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板及制备方法。

背景技术

随着航空航天技术的飞速发展，大型飞机、宇宙飞船等飞行器的运行速度越来越快。与之伴随的，这些飞行器发生高速冲击碰撞等意外事故的风险也越来越大，如何确保其主体结构在受到强冲击载荷时不发生灾难性破坏便成为了航空航天安全防护领域中极为重要的课题。对此，工程师们已研发出了包括多孔金属/非金属泡沫、蜂窝结构、三维点阵结构在内的多种轻质吸能防护结构且实现了广泛的应用，并取得了很好的经济和社会效益。

其中，泡沫材料具有高孔隙率而蜂窝结构或三维点阵结构则拥有很好的承载能力，将二者相结合实现力学性能上的优势互补，成为了复合式轻质多孔结构夹芯板设计的新手段。例如，专利文献CN 104924679 A公布了一种强化泡沫夹芯板及其制备方法，其中采用了蜂窝单元作为强化骨架。

然而，无论是泡沫填充蜂窝夹芯结构还是泡沫填充点阵夹芯结构，由于蜂窝结构或点阵这些主承载结构自身的间断特性，其内部均为非全连通的，具有很强的各向异性，导致这些泡沫填充夹芯结构受冲击载荷时内部容易发生应力集中，承载能力和抗屈曲性能往往会陡然降低，因此在结构平滑连续性和可控性方面显得不足，能量吸收效率也不高，一定程度上限制了它们的应用范围。并且上述CN104924679 A中泡沫夹芯层的上下表面是是用粘贴等方式添加的，导致泡沫夹芯层和上下表面的粘贴位置产生应力集中、以及力传递不均匀。

而在数学理论中，三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surfaces，TPMS)具有多孔特性，在拓扑结构上也是光滑和连通的。并且，工程人员通过修改TPMS隐函数表达式的参数，便能很好地实现多孔大小和形状的精确控制，得到不同类型的全连通多孔结构。不过，长久以来TPMS多孔结构由于难以制造没有引起工程人员的足够重视，但随着如今3D打印制造技术的迅猛发展，其大规模制造已经不再是难以逾越的障碍。CN107885945A公开了一种3D打印的多尺度孔洞结构，该结构基于三周期极小曲面，以实现轻量化设计。然而上述CN107885945A仅仅是将三周期极小曲面应用于牙齿等仿真模型，且目的仅仅是为了实现轻量化。将数学上拓扑属性优越的TPMS应用到复合式轻质多孔结构夹芯板设计中，利用其拓扑光滑连通特性来提高复合式多孔结构夹芯板承载的平滑性和可控性，充分发挥TPMS结构壁面与泡沫材料塑性变形时相互作用的能量吸收增强效应，在实现轻量化的同时，提升其能量吸收效率，是现有技术中未曾提及的。因此如何利用3D打印制造技术设计和生产轻量化并且吸能优异的TPMS多孔结构是本发明所要解决的技术问题。

发明内容

为解决现有技术中上述问题，本发明提供一种泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板及制备方法，将泡沫材料填充于三周期极小曲面相互连通的多孔中，形成复合式夹芯板结构，使其同时具有优异的承载性能和高效的能量吸收效率。