br>[0038] 在以下描述中，以优选示例的方式阐述纳米结构的栅格及其制造方法的相应实施 例，在先US非临时性专利申请第14/449, 158号中已经公开了该优选示例。
[0039] 该发明是点阵拓扑（lattice topologies)与SMAT过程制备的纳米结构材料的结 合。在一方面，SMT方法显著增加了金属材料的强度。在另一方面，点阵拓扑在设计这些 结构的体积和几何结构方面具备多样性。两者如果结合起来，SMT-栅格结构会更强，并且 可以提供各种几何尺寸和造型。
[0040] 该发明涉及由通过SMAT工艺制造的纳米结构材料来设计和制造栅格架构。现有 技术US7, 691，211中概述了通过SMAT过程产生固体纳米结构材料的方法。这种方法已经 被证明能够显著提高金属材料（如不锈钢板）的强度，参见文献Chan等（2010)和Chen等 (2011) 〇
[0041] 通过表面机械研磨处理方法有效制备纳米结构材料已经可以实现，参见文献卢柯 和吕坚（1999和2004)以及US7, 691，211。如图2示意图所示，在SMAT过程中，通过振动发 生器驱动大量球形弹丸，以使这些弹丸从不同角度撞击材料表面，导致在这个表面上的晶 粒尺寸被细化，从而形成具有几十纳米粒度大小的纳米结构层。最终，该材料的宏观力学性 能，如强度和硬度，显著得到提高（参考文献，Chan等，2010 ;Chen等，2011)。
[0042] 图2显示现有技术US7, 691，211中的使用超声产生纳米结构的SMAT装置的示意 图，将其应用于实施该发明。在现有技术的这种实施方式中，SMT装置包含隔声腔25。超 声波发生器24与碗状物20连接，装置21盖住碗状物20的顶部开口，装置21用来放置将 在应力下进行处理的样品10。装置21相对于碗状物20安装在使得可以调整暴露给撞击的 表面和碗状物20的底面之间的距离的装置上，碗状物20的底面构成球体22的发射表面。 可以在要处理的器件或其支撑物与碗状物20之间设置空间27。使用超声将球体设置为运 动状态的原理是，通过以特定频率运行的超声波发生器24使球体22处于运动状态，其向碗 状物20传递特定振幅和速度的运动。可以在几微米到几百微米之间选择超声波发生器的 振动振幅。球体22从碗状物的运动中获得能量并且以变化的多种入射角大量次数击打样 品10的表面，每一次在任意方向上的撞击都导致由合金或材料的分子团构成的晶粒发生 塑性变形。球体与器件接触后失去能量，从碗状物的表面反弹，进而在一个新方向上获得新 的速度，该方向从样品的角度看起来是随机的，但其是由物理法则决定的。在密封的隔音腔 25中设置扩散或蒸发装置26,就可以实现如下所述的一个或多个化学或热化学处理，这可 能与需要加热工作腔或样品的装置相关。
[0043] 在该发明中，为了减少总质量并且产生轻质结构，正多边形（三角形、正方形或六 边形）的孔以均匀的周期性模式嵌入固体纳米结构材料中。图3A至3D展示了四种栅格设 计。这些设计分别是：六边形栅格（图3A)、三角形栅格（图3B)、正方形栅格（图3C)和 Kagome形栅格（图3D)。
[0044] 图3A显示六边形蜂窝状栅格的设计。这个栅格仅具有相同的正六边形形状的孔。 这些孔以周期性模式设置，以便该栅格可以沿二维空间的两个主轴&和X2均匀地延伸。
[0045] 图3B显示三角形栅格的设计。这个栅格仅具有相同的等边三角形形状的孔。这 些孔也以周期性模式沿平面空间的两个主轴&和X 2排列。
[0046] 图3C显示正方形栅格的设计。这个栅格仅具有相同的正方形形状的孔。这些孔 沿平面空间的两个主轴&和X 2周期性地排列。
[0047] 图3D表示Kagome形栅格的设计。这个栅格具有相同的正六边形和等边三角形形 状的孔。这些孔以周期性模式排列，以便该栅格可以沿二维空间的两个主轴XdPX2均匀地 延伸。
[0048] 对于每种类型的栅格，剩余的固体条框架的特征都在于三个几何参数（t，l，r) :1 是栅格中每个杆部分的设计的中心线长度；t是栅格中每个杆部分的设计的厚度；r是栅格 中每个节点拐角处的圆角的设计的半径。设计该弧形的目的是减小栅格中在节点位置处的 应力集中。
[0049] 每个栅格的质量主要取决于t和1，可以通过改变这两个参数值而改变。例如，如 果比值Ι/t彡30,则可以认为该栅格是薄的（轻质量），而如果4彡Ι/t彡10,则可以认为 该格栅的厚的（重质量）。t/r的设计比值在1至2之间。
[0050] 根据本发明的实施例，纳米结构的栅格制造方法如下所示。首先，初始的固体材料 经过SMAT过程的处理，制成如现有技术US 7,691，211中的纳米结构材料。其次，选择栅格 的类型，并且设计三个参数（l，t，r)的值，以便确定将从固体SMT材料中切出的孔的尺寸。 三个设计的（l，t，r)的值也用于在数控线切割机中编程时构建栅格的附图。最后，从固体 纳米结构材料中线切割出设计的孔，从而得到纳米结构的栅格。
[0051] 在该发明中，特别针对两种周期性点阵拓扑结构：正方形和Kagome形，通过表面 机械研磨处理的方法制成纳米结构材料并且进行了测定。选择的SMT方案被应用于所考 虑的每个拓扑结构的单位晶格中的杆部分。这些杆中的最大轴向应力作为宏观面内主应力 的函数进行计算。用简单的屈服准则确定使用每种SMT方案的栅格的弹性极限，并且就提 高的屈服强度和SMT效率来讨论这些选择方案的优缺点。对由不锈钢板制成的正方形和 Kagome形栅格实施所选择的SMAT方案的实验，以评估针对单轴拉伸的载荷情况下的分析 预测。
[0052] 对使用SMAT的正方形和Kagome形栅格的单轴拉伸试验如下所述。
[0053] 对这两种所考虑的栅格进行试验性测试，以研宄SMT方法的强化效果。制造并通 过SMAT处理在选定方向上布置的正方形和Kagome形栅格结构的样品。对这些栅格样依次 进行单轴拉伸测试，并且针对每个栅格拓扑结构评估SMT效果。
[0054] 正方形栅格：0/90°与±45°对比，测试并研宄如下。
[0055] 对正方形栅格的每个单位晶格施加的一系列SMAT方案如下所述。
[0056] (i)方案N:不进行SMT ;用于参考对比。
[0057] (ii)方案AI:对栅格中全部杆部分进行SMAT，见图4中的（A)。这种方案针对的 是任何面内载荷的情况。
[0058] (iii)方案All:仅对两个水平杆a和a'进行SMAT，见图4中的（B)。这种方案针 对的是沿正方形栅格的&轴单轴拉伸的载荷情况。在这种情况下，两个杆a和a'直接承 受所施加的载荷，而另外两个杆b和b'承担的力可忽略不计。
[0059] (iv)方案AIII :对杆的端部在围绕每个节点的半径为R = (l-1/k) 1/2的圆内施 加 SMAT，见图4中的（C)。这种方案针对的是在正方形栅格的±45°方向上进行单轴拉伸 的情况。在这样的载荷下，所有的杆都承受弯曲，并且最大应力出现在杆端部的附近。因此， 对这些区域施加 SMT最有效。
[0060] 图5中的㈧和⑶分别示出了 0/90°正方形栅格和±45°正方形栅格的可拉伸 的狗骨式样品的几何结构。正方形栅格中的每个杆部分的长度I = 9mm，宽度t = I. 6mm， 相对密度/) = 2"/ = 0,35。
[0061] 制造三个相同的0/90°正方形栅格平板，用于三种所考虑的情况：不进行 SMT-方案N，全部进行SMT-方案AI，部分进行SMT-方案AII。使用方案AI和AII进行 SMAT处理的表面区域分别如图6中的（A) (B)所示。同样地，制造相同的±45°正方形栅 格样品，用于三种情况：不进行SMT-方案N，全部进行SMT-方案Al，部分进行SMT-方案 AIII。图6中的（C)示出了方案AI的SMT区域，图6中的（D)示出了方案AIII的SMT 区域。
[0062] 所有样品都由符合AISI (美国钢铁协会）标准的厚度d = Imm的304不锈钢板 切割而成。制造路径如下所述：首先，将钢板线切割为三个相同的狗骨式拉伸试样，用于 0/90°正方形栅格，并且切割出三个相同的拉伸试样，用于±45°正方形栅格。对于不进行 SMT的样品，将这些板的中心区域线切割为设计的模式，回看图5中的（A) (B)。对于全部 进行SMT的样品，先对中心区域进行SMT处理3分钟，然后线切割为设计的几何结构。以 相同步骤制造部分SMT的样品；但是在进行SMT过程中，使用布覆盖保护非处理的区域。
[0063] 利用伺服液压拉伸试验机，以应变率》= Urt5^对获得的样品依次进行准静态拉 伸测试（沿图5所示的Xji )。在试验过程中，测试机的测力传感器记录载荷，用于确定样 品的净截面上的公称轴向应力。通过标距长度为50mm的引伸计测量样品的轴向伸长，从而 确定公称轴向应变。测量出的应力与应变曲线如图7A和7B所示，而断裂样品的照片如图 8所示。
[0064] 首先，考虑0/90°正方形栅格的结果。该栅格对单轴拉伸具有支杆-拉伸 (strut-stretching)作用，所有样品呈现出初始的线性弹性行为，随后是硬化阶段，见图 7A。测量出的部分进行SMT(方案All)的样品的屈服应力约等于全部进行SMT(方案Al) 的样品的屈服应力，并且超出不进行SMT(方案N)的样品的屈服应力三倍。相反，进行SMT 的样品的延伸率小于不进行SMT的样本。全部进行SMAT、部分进行SMT和不进行SM