一种三明治结构及蜂窝结构芯体的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及结构材料，尤其涉及一种三明治结构及蜂窝结构芯体。
【背景技术】
[0002] 自然界一直是人类获取发明创造的灵感源泉，生物体所具有的独特外形、内部微 观结构及优化原理等特性，为工程技术研发人员提供新的设计思路和仿生理论参考。多孔 材料广泛存在于自然界中，如木材、蜂窝、动物骨骼和海绵等。仿照该类生物结构设计的一 些性能优异的结构，如蜂窝铝三明治结构等，其相对密度小，比强度和比刚度大，吸能效率 高，抗冲击性好，减震缓冲、隔热隔音等性能优异，是理想的轻质结构材料，一直都受到学术 界和工程界的重视，特别是在航空航天飞行器、高速列车、汽车以及高速舰船等高科技领域 已经得到广泛应用。
[0003] 目前国内外常见的三明治结构，如传统的六边形蜂窝三明治结构、专利申请号为 CN103559343A的类蜂窝三明治结构、专利申请号为CN202742715U中的三明治防弹夹层板 结构等，这些三明治结构主要由金属或者复合材料夹层和高孔隙率金属芯体组合而成，其 芯体对三明治结构性能影响最大。
[0004] 随着科技的发展，汽车、航天、航海等高科技领域对结构的轻量化和高性能要求越 来越高，上述目前国内外常见的三明治结构在高速碰撞情况下，抵抗冲击、减震缓冲、能量 吸收存在明显不足。因此，开发一种质量轻，吸能效果更好，抗冲击能力更强，力学性能更优 异的三明治夹芯结构已经成为目前各个领域中较为迫切的需求。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述问题，本发明提出一种三明治结构，其具有质量轻、力学性能更优 越、机械强度更高、吸能效率更高、抗冲击性好、减震缓冲、隔热隔音等各种性能的优点，能 够解决现有技术中在高速碰撞情况下，存在的抵抗冲击、减震缓冲、能量吸收明显不足的问 题。
[0006] 本发明的目的通过如下技术方案实现：
[0007] 本发明提供一种三明治结构，其包括第一夹层、第二夹层以及位于其之间的芯体， 所述芯体为多级蜂窝结构；所述多级蜂窝结构中，在胞元边长为Ltl的当前级蜂窝结构中每 两条或者三条边的交点处用边长为L1多边形替换形成下一级蜂窝结构；其中L'U。
[0008] 更进一步地，所述第一夹层和第二夹层为平面板；或者，所述第一夹层和第二夹层 为曲面板；或者，所述第一夹层和第二夹层为管材。
[0009] 更进一步地，所述多级蜂窝结构包括：
[0010] 六边形多级蜂窝结构、四边形多级蜂窝结构或者三边形多级蜂窝结构。
[0011] 更进一步地，所述第一夹层上设置有减重孔；和/或，所述第二夹层上设置有减重 孔。
[0012] 更进一步地，
[0013] 所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构的胞元厚度t由上往下均匀递增或者递减；
[0014] 或者，
[0015] 所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构的胞元厚度t从受载端向非受载端均匀递 增；
[0016]或者，
[0017] 所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构的胞元厚度t从受载端向非受载端均匀递 减；
[0018]或者，
[0019] 所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构中的单个胞元结构的多边形斜边与竖直方 向的夹角为负。
[0020] 本发明还提供一种蜂窝结构芯体，所述蜂窝结构为多级蜂窝结构，所述多级蜂窝 结构中，在胞元边长为Ltl的当前级蜂窝结构中每两条或者三条边的交点处用边长SL1多边 形替换形成下一级蜂窝结构；其中L1O^
[0021] 更进一步地，所述多级蜂窝结构包括：
[0022] 六边形多级蜂窝结构、四边形多级蜂窝结构或者三边形多级蜂窝结构。
[0023] 更进一步地，所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构的胞元厚度t由上往下均匀递 增或者递减；
[0024] 或者，
[0025] 所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构的胞元厚度t从受载端向非受载端均匀递 增；
[0026] 或者，
[0027] 所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构的胞元厚度t从受载端向非受载端均匀递 减；
[0028] 或者，
[0029] 所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构中的单个胞元结构的多边形斜边与竖直方 向的夹角为负。
[0030] 由上述本发明的技术方案可以看出，本发明的有益效果在于：
[0031] 由于本发明采用多级蜂窝结构芯体，因此其质量轻，比强度高，吸能效率高，保温 性，隔热性能，隔音性能较好，多功能综合性能较强；本发明的多级蜂窝结构芯体在面内 (X-Y方向），面外（Z方向）两个方向上，与传统蜂窝结构相比，力学性能，机械强度，吸能效 率，抗冲击性等各种性能上有明显提高，并且蜂窝等级越高，各项性能越好，这使得该类多 级蜂窝结构在工程领域中与传统蜂窝结构相比具有巨大的优势；
[0032] 通过在本发明的第一夹层和第二夹层上设置减重孔，能够有效地减轻三明治结构 的重量，在汽车、飞机轻量化上有巨大应用价值；
[0033] 当多级蜂窝结构每一层蜂窝结构中的单个胞元结构的多边形斜边与竖直方向的 夹角Θ为负，本发明芯体在面内方向上（X-Y方向），具有负泊松比效应，可变化成为多级负 泊松比蜂窝结构，负泊松比结构具有很多奇特的力学性能。与传统内凹六边形相比，材料的 剪切模量、断裂韧性加强，压痕阻力增加，同向曲率变形行为增加，具有更好的抵抗冲击的 能力；
[0034] 当多级蜂窝结构为多级功能负梯度蜂窝结构时，有更好的吸能和压溃变形等效 果，在吸能和结构防护上比传统功能梯度蜂窝具有更好的应用价值。
【附图说明】
[0035] 图1为本发明中多级蜂窝结构芯体三明治平板的示意图；
[0036] 图2为本发明中多级蜂窝结构芯体三明治圆管及其局部放大的示意图；
[0037] 图3为本发明中多级蜂窝结构芯体三明治曲面板的结构示意图；
[0038] 图4-1为传统六边形蜂窝结构中的单个胞元结构示意图；
[0039] 图4-2为一级蜂窝结构中的单个胞元结构示意图；
[0040] 图4-3为二级蜂窝结构中的单个胞元结构示意图；
[0041] 图5为γ 1取0. 3时的一级四边形蜂窝结构的三维图和俯视图；
[0042] 图6为γ 1取0. 3, Θ取30°时一级六边形蜂窝结构的三维图和俯视图；
[0043] 图7为γ 1取0. 3, γ 2取〇. 12, Θ取30°时的二级六边形蜂窝结构的三维图和俯 视图；
[0044] 图8为γ 1取0. 3, Θ取1〇°时的一级六边形蜂窝结构的三维图和俯视图；
[0045] 图9为γ 1取0. 3, Θ取-20°时的一级六边形蜂窝结构的三维图和俯视图；
[0046] 图10为γ 1取0. 3, Θ取30°时的一级功能梯度蜂窝结构的示意图；
[0047] 图11为传统六边形蜂窝、一级蜂窝和二级蜂窝结构面外方向压缩力-位移曲线。
[0048] 附图中：
[0049] 上平面板1 ;芯体2 ;下平面板3 ;外管4 ;芯体5 ;内管6 ;减重孔7 ;上曲面板8 ;芯 体9 ;下曲面板10。
【具体实施方式】
[0050] 为使本发明的结构更为清晰，下面结合附图对本发明做更详细的描述。
[0051] 本发明提供一种三明治结构，该结构如图1所示，包括第一夹层、第二夹层和位于 第一夹层和第二夹层之间的以多级蜂窝结构为基体的芯体。
[0052] 其中的第一夹层和第二夹层可以是平面板、带有减重孔的曲面板或者管材；当本 发明运用于建筑领域房屋天花板等时，夹层板选择平面板；当本发明运用于交通领域汽车 车身、飞机机身等时，夹层板选择带有减重孔的曲面板或者圆管。第一夹层和第二夹层的材 质可以选择金属铝或铝合金薄板、不锈钢薄板、铜板、镀锌铁板等材料。
[0053] 其中的芯体对三明治结构性能影响最大，其采用高孔隙率芯体，芯体材料可选择 铝合金或者聚丙烯等。芯体采用新型多级蜂窝结构，可以是多级六边形蜂窝结构、多级四边 形蜂窝结构或者多级三边形蜂窝结构等。
[0054] 下面以芯体采用多级六边形蜂窝结构为例进行说明。
[0055] 芯体采用的多级六边形蜂窝结构是指在胞元边长为Ltl的六边形蜂窝结构中每两 条或者三条边的交点处用边长为L1 (小于Ltl)六边形替换的一种新型结构，所有交点被边长 为L1的六边形第一次替换之后的结构定义为一级六边形蜂窝结构，同理，一级六边形蜂窝 结构所有交点被边长为L2 (小于L1)的六边形替换之后的结构定义为二级六边形蜂窝结构， 以此类推，在上级的基础上每用边长更小的六边形替换交点一次，等级提高一级。以两级六 边形蜂窝结构芯体为例，定义Y1=L1Zlci, Y2=L 2/U，其中γι表示不同边长参数的取值 对应不同的一级六边形蜂窝结构；丫2表示不同边长参数的取值对应不同的二级六边形蜂 窝结构。
[0056] 经申请人充分研宄，影响蜂窝铝芯材性能因素主要为蜂窝结构的胞元形状及其形 状参数。上述本发明提供的一种新型三明治结构能够非常好的满足工程领域中的需求。特 别的，该类三明治结构改变其蜂窝结构胞元的形状参数，能够形成负泊松比和功能梯度等 特殊功能结构。这使得该类仿生结构在许多领域与传统蜂窝结构相比具有很大优势。
[0057] 在面内（Χ-Υ方向），面外（Ζ方向）两个方向上，与传统的蜂窝芯体比较，以多级蜂 窝结构为基体的芯体在力学、吸能、抗冲击、减震缓冲、隔热隔音等性能上有显著提高。并且 蜂窝等级越高，上述各项多功能综合性能越好。
[0058] 实施例1
[0059] 实施例1是以多级蜂窝结构为芯体基体的三明治平板，其结构如图2所示，包括上 平面板1、芯体2和下平面板3。上平面板1与芯体2以及芯体2与下平面板3之间通过粘 接连接。构成上平面板1、下平面板3、芯体2的基体材料可以根据不同领域的要求采用不 同材料，并不仅仅局限于金属材料。
[0060] 实施例2
[0061] 实施例2是以多级蜂窝结构为芯体基体的三明治管材，其结构如图3所示，包括外 管4、芯体5和内管6。外管4与芯体5以及芯体5与内管6之间同样通过粘接连接。同样 构成外管4、芯体5、内管6的基体材料可以根据不同领域的要求采用不同材料，并不仅仅局 限于金属材料。
[0062] 实施例3
[0063] 实施例3是以多级蜂窝结构为芯体基体的三明治曲面板，其结构如图4所示，包 括：上曲面板8、芯体9和下曲面板10。其中上曲面板8