用于增强能量吸收的结构化材料的制作方法
【专利说明】用于增强能量吸收的结构化材料
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请主张于2013年3月8日申请的名称为ARCHITECTED MATERIALS WITHTHICKNESS HIERARCHY的美国临时申请第61/775，330号以及于2013年6月25日申请的名称为 ARCHITECTED MATERIALS FOR ENHANCED ENERGY ABSORPT1N 的美国非临时申请第13/927，064号的优先权及权益，上述申请的内容在此整体并入本文作为参考。
[0003]将金属晶格(桁架)用于能量吸收的应用已经在以下专利中讨论:美国专利第7，382，959 号(“Optically oriented three-dimens1nal polymer microstructures，，)和于2007年05月10日申请的美国专利申请第11/801，908号；于2008年I月11日申请的美国专利申请第12/008，479号；于2008年3月5日申请的美国专利申请第12/074，727号；于2008年3月6日申请的美国专利申请第12/075，033号；于2009年6月I日申请的美国专利申请第12/455，449号；以及于2010年12月22日申请的美国专利申请第12/928，947号。多种微型桁架结构和制造微型桁架结构的方法已经在以下专利中做了描述:美国专利申请第12/455，449号，该申请公开了一种制造具有固定面积的微型桁架结构的方法；美国专利申请第12/835，276号，该申请公开了一种根据连续的过程连续制造微型桁架结构(例如，任意长度的长条)的方法；以及美国专利申请第12/928，947号，该申请公开了一种用于能量吸收的由可压缩流体填充的微型桁架。上述交叉引用的专利和申请中的每一个由本申请的受让人所共同拥有，并且通过引用整体并入本申请。
技术领域
[0004]以下说明涉及能量吸收材料，更具体地，涉及具有增强能量吸收能力的结构化晶格材料。
【背景技术】
[0005]能量吸收材料已经广泛用于防止人员和货物受到破坏性的冲击和力。能量吸收材料可以分为两类:不具有桁架结构的材料和具有桁架结构的材料。前一类包括蜂窝材料，例如封闭或开口的金属或聚合物单元泡沫、压纹蜂窝结构(crushed honeycomb)或者其它商业材料，例如Skydex?。后一类包括由实心或空心构件(支柱、桁架或晶格)与在该结构的厚度方向上的恒定结构化参数(例如，晶胞尺寸、半径、长度或每一个构件的角度)组成的微型桁架结构。对于前一类，蜂窝材料通过弹性和/或非弹性变形来消散与冲击相关联的动能。泡沫和预压蜂窝材料的压缩响应接近于理想响应(如图1所示，该内容将在下文中做更详细的描述)，但是这些材料的性能受到泡沫的低密实化应变或预压蜂窝材料的低承载能力的限制。在任一种情况下，尽管响应特性是理想的，但这些材料的性能仍受到不理想的微观结构的空间布置的影响。
[0006]先前的具有桁架或晶格结构的材料具有厚度方向(即，该桁架或晶格结构的能量吸收方向)上的恒定结构化参数。如图2所示，高结构对称性和缺少分离的内部构件导致同时屈曲和载荷传递能力的急剧损失。这将使材料的能量吸收能力随着与压实相关联的应力平台下降到大大低于峰值。
[0007]现在回到给定能量吸收材料在冲击或压缩下的表现，将由桁架或类似梁的元件构成的结构化材料在破坏机构中试验，其中入射能量或外功分为三个阶段被吸收:初始屈曲、在恒定或接近恒定应力水平下压实和最终完全密实化。图1是显示能量吸收材料的理想性能的示意图。材料的初始响应是压缩应变，该压缩应变随着与屈曲或塑性变形开始前的材料响应相对应的压缩应力线性变化。在到达峰值应力101之后，该理想材料响应从线弹性阶段转换到恒定应力平台阶段102，在该阶段，通过材料传送的力保持均匀和恒定，直到该材料达到密实化阶段为止，在密实化阶段，应变再次随着应力迅速地、线性或非线性地增加。与从平台应力到密实化阶段的转变点相对应的应变被视为密实化应变103。给定材料的最大可能体积能量吸收被计算为峰值应力101与100%应变的乘积。然而，实际的结构化材料与理想的响应具有偏差并且导致吸收效率的损失。图2示出了具有高结构对称性和内部连通性的晶格或桁架结构的典型性能。在此，达到屈曲开始的峰值应力201而非停留在该峰值应力水平之后，压缩应力下降到较低的平台应变202 ο这被认为是由于具有高结构对称性和内部连通性的结构中的单个点处的屈曲的开始将会触发整个所述结构的屈曲，从而导致瞬间的负载承载能力损失和降低的能量吸收效率。这种情况下，密实化应变203被限定为与峰值应力值与应力-应变曲线的水平线相交处相对应的应变水平。实际吸收的体积能量被计算为应力-应变曲线下在0%应变与密实化应变之间的面积。这样的材料的能量吸收效率被计算为实际体积能量吸收与最大可能的体积能量吸收的比值。
[0008]因此，仍然需要具有固有结构的和低质量效益的晶格架构，但也具有改进的能量吸收响应。
【发明内容】
[0009]本发明的实施例方面涉及当加载压缩时具有较佳能量吸收性能的结构化材料。该材料具有在材料的厚度方向(S卩，主要的能量吸收方向)上具有层次的桁架或者晶格结构，在保持固有结构和规模效益的同时，该结构可以相对于现有技术中的晶格结构提供增强的能量吸收功能。架构控制的附加维度可以被引入到两个不同实施例中的标准晶格结构中。
[0010]在本发明的一个实施例中，具有厚度层次的三维晶格架构包括第一表面和第二表面，第一表面和第二表面彼此分开(沿着第一和第二表面中的至少一个的法线方向)一定距离并在第一表面和第二表面之间限定三维晶格架构的厚度；沿着第一表面和第二表面之间的多个方向延伸的多个成角度的支柱；将多个成角度的支柱彼此连接以形成多个晶胞的多个节点。多个成角度的支柱中的至少一部分沿着晶格结构的厚度方向在内部终止并且朝向晶格架构的第一或第二表面提供多个内部自由度。
[0011 ] 在本发明的另一个实施例中，具有厚度层次的三维晶格架构包括第一表面和第二表面，该第一表面和第二表面彼此分开(沿着第一和第二表面中的至少一个的法线方向)一定距离并在第一表面和第二表面之间限定该晶格架构的厚度和厚度方向；和在厚度方向上彼此堆叠的多个晶格结构，从而在多个晶格结构之间形成分界面，每个晶格结构具有一组唯一的晶胞参数。相邻两个晶格结构的一组晶胞参数彼此不同。
[0012]在本发明的一个实施例中，一种制造具有厚度层次的三维晶格架构的方法包括以下步骤:在容器的顶部和底部中的至少一个处设置有图案的模板；在容器中设置与有图案的模板相接触的大量光单体；通过掩模将光单体曝光在准直光束下，该准直光束相对于掩模以非垂直角度穿过该掩模的多个孔以在该光单体中以所述非垂直角度形成多个成角度的聚合物支柱，从而形成三维晶格结构。
[0013]在本发明的另一个实施例中，一种制造具有厚度层次的三维晶格构架的方法包括以下步骤:通过掩模将大量光单体曝光在准直光束下，该准直光束相对于掩模以非垂直角度穿过该掩模的多个第一孔以在该光单体中以所述非垂直角度形成多个成角度的聚合物支柱，从而形成具有顶面和底面的三维晶格结构；和从顶面和底面中的一个中移除所述晶格结构的一部分。
[0014]在本发明的又一个实施例中，一种制造具有厚度层次的三维晶格架构的方法包括以下步骤:在第一容器中设置第一体积的光单体；通过第一掩模将该第一体积的光单体曝光在准直光束下，该准直光束相对于该掩模以第一非垂直角度穿过第一掩模的多个第一孔从而以该非垂直角度在该光单体中形成多个第一成角度的聚合物支柱，从而形成具有第一组晶胞参数、第一顶面和第一底面的第一三维晶格结构；在第二容器中设置第二体积的光单体；通过第二掩模将该第二体积的光单体曝光在准直光束下，该准直光束相对于该掩模以第二非垂直角度穿过第二掩模的多个第二孔从而以该非垂直角度在该光单体中形成多个第二成角度的聚合物支柱，从而形成具有第二组晶胞参数、第二顶面和第二底面的第二三维晶格结构；和连接第一顶面和第二底面。第一组晶胞参数与第二组晶胞参数不同。
【附图说明】
[0015]图1是具有或不具有晶格架构的能量吸收材料的理想压缩应力-应变表现的示意图；
[0016]图2是具有高结构对称性和内部联通性的晶格或桁架结构的典型压缩应力-应变表现的不意图；
[0017]图3a和3b是显示通过使用结构化模板说明具有架构厚度层次的晶格架构的示意图；
[0018]图4是具有堆置在一起的两个不同晶格结构的晶格架构的不意图；
[0019]图5a是显示使用架构模板制作晶格架构的过程的一个实施例的示意图；
[0020]图5b是显示使用架构模板制作晶格架构的过程的另一个实施例的示意图；
[0021]图6a显示了引入中断内部构件之前的一个示例性晶格架构的仰视图；
[0022]图6b显示了具有叠加在晶格架构上的构架模板的图6a中所示的示例性晶格架构的仰视图；
[0023]图6c示出了图6a