用于减轻爆炸和冲击的损伤的能量吸收桁架结构的制作方法
【专利说明】用于减轻爆炸和冲击的损伤的能量吸收桁架结构
[0001]关于联邦资助的研发情况
[0002]本发明是由美国国防部高级研究计划局(DARPA)国防科学办公室根据合同N0.W91CRB-11-C-0112在美国政府支持下完成的。美国政府享有本发明的权利。
[0003]相关申请的交叉引用
[0004]在美国专利N0.7，382，959 ( “Optically oriented three-dimens1nal polymermicrostructures，，)、美国专利 N0.8，353，240 (“Compressible fluid filled micro-trussfor energy absorpt1n”)和申请日为2007年5月10日的美国专利申请N0.11/801,908、申请日为2008年I月11日的美国专利申请N0.12/008，479、申请日为2008年3月5日的美国专利申请12/074,727、申请日为2008年3月6日的美国专利申请N0.12/075,033以及申请日为2009年6月I日的美国专利申请N0.12/455,499中已经对将金属晶格(桁架)材料用于能量吸收应用的用途做了讨论，上述文件作为参考在本发明中全文引用。多种微桁架结构和制造微桁架结构的方法已在现有文件中做了描述，例如，美国专利申请N0.12/455，449公开了制造具有固定面积的微桁架结构的方法、美国专利申请N0.12/835，276公开了根据连续过程(例如，任意长度的条带)连续制造微桁架结构的方法以及美国专利N0.8，353，240中公开了用于能量吸收的可压缩流体填充的微桁架。上述交叉引用申请中的每一个都通过引用其全文的方式被合并在本发明中。
技术领域
[0005]下述说明涉及能量吸收材料，更具体地，涉及用于减少爆炸和冲击的损伤的周期性、顺序排列的具有增强的能量吸收能力的微桁架结构的多孔材料。
【背景技术】
[0006]能量吸收材料广泛用于保护人员和货物免受冲击和压力的损伤。在冲击或爆炸事件中，这些材料应当通过最大量地吸收能量而将冲击载荷降低到损伤阀值水平以下，不会传递超过损伤阀值的能量。汽车、体育运动和防御行业中的例子包括碰撞减震器、头盔护具和爆炸减轻鞋垫。根据不同的应用，需要能量吸收材料具有不同的性能特征。损伤标准或损伤阀值σ th确定了可接受的、穿过能量吸收材料的最大应力σ &，B卩，为防止损伤应当使σ tr< σ th。对于直接与人体接触的能量吸收材料，上述能量损伤标准基本上近似于IMPa。
[0007]多孔材料多用做能量吸收材料，因为他们可以吸收压缩能量。一次性的能量吸收材料可以为金属材料，包括闭合或开孔泡沫和压碎蜂窝；具有可逆性的多用途能量吸收材料为典型的聚合物，包括闭合或开孔粘弹性泡沫和热塑性聚氨酯(TPU)双半球。晶格结构可以由聚合物或金属材料组成，并且可以由实心或者中空的构件(支柱、晶格)周期性排列
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[0008]图1是描述能量吸收材料的理想表现的示意图。在低应力下，应变随着应力线性变化，达到例如IMPa的应力。在阀值应力处，材料应变在大体上恒定的应力下迅速增加，并且该材料吸收能量。最终，当该材料达到称为密实化的高应变时，应力在此增加。给定材料结构的最大的可能能量吸收量可以计算为峰值应力与100%应变的乘积。
[0009]现实材料通常偏离于上述理想响应，并且具有较低的吸收效率。图2描述了具有高结构对称性和内部联通的晶格或桁架结构的典型表现。在此，达到最高初始应力(在图2中标记为Max.传递应力)后，该应变在较低应力水平时增长，相对于图1中所示的理想情形，能量吸收中产生损失。一般认为这是由于具有高对称性和内部连通性的结构中单个点上的屈曲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能量吸收效率降低。在这种情况下，密实化应变被定义为在初始应力值的峰值处应力-应变曲线与水平线相交处的应变。被吸收的能量体积被计算为应力-应变曲线下侧、0%应变与密实化应变之间的区域的面积。材料的能量吸收效率被计算为吸收的能量体积与最大可能能量吸收体积的比。
[0010]图3示出了各种类型的泡沫铝用作能量吸收材料的典型压缩应力-应变响应。该材料具有近似平台的应力-应变曲线，没有显示出软化前初始应力峰值的非理想表现。但是，因为应力以大约30%的增长率增长，使得这种材料具有低密实化应力，从而将能量吸收效率限制为约35%。图4示出了铝蜂窝能量吸收材料的压缩应力-应变响应。这种情况中，该材料显示出软化前大的初始应力峰值，从而使得它的能量吸收效率约为34%。图5示出了双半球能量吸收材料的压缩应力-应变响应。初始应力峰值之后，材料显示出软化，导致它的能量吸收效率约为47%。
[0011]具有桁架或晶格的某些材料具有厚度方向上的恒定结构参数，S卩，桁架或晶格结构的能量吸收方向。在这些材料中，高结构对称性和内部构件之间分离的缺乏导致同时屈曲和载荷转移能力急剧损失，如图2所示。这种情况使得当与压紧相关的应力水平降低到峰值以下时该材料的能量吸收效率降低。图6显示了没有增强结构的典型中空金属微晶格结构的压缩应力-应变响应。它示出了软化前的大应力峰值，以及附加应力峰值。能量吸收效率约为15% -30%。
[0012]因此，既需要具有固有结构的微桁架或晶格结构和该结构的低规模效益，还需要提高能量吸收响应。
【发明内容】
[0013]本发明的实施例方面涉及压缩加载时具有优异能量吸收特性的结构化材料。在多个实施例中，这种材料由在第一表面和第二表面之间互相贯穿的管子构成的微桁架结构形成。对于施加到这两个表面的压缩荷载，这些结构的应力-应变响应通过安排一些管子而非全部管子同时延伸到两个表面、调节该结构中的重复晶胞的层数、布置节点沿着正交于表面的线从对准偏移或者包括多个联锁微桁架结构的方式制造。
[0014]根据本发明的一个实施例提供了一种用于防冲击载荷的系统，所述冲击载荷由于冲击和爆炸产生，该系统包括:第一微桁架架构，其中该微桁架架构被构造为在l-20m/s冲击速度的动态荷载下传送0.3-7MPa范围内的近恒定压力时具有大于50%的体积减小。
[0015]在一个实施例中，第一微桁架架构包括:彼此平行的第一表面和第二表面，该第一表面和第二表面之间具有一定距离，从而限定了该微桁架架构的厚度；沿多个非垂直方向延伸的多个成角度的支柱，该多个成角度的支柱中的每一个都具有在第一表面上的第一端部、和第二端部；多个节点，沿多个方向延伸的多个成角度的支柱在该多个节点处互相贯通；该多个成角度的支柱和多个节点限定多个晶胞，每个晶胞具有设置在多个节点之间的上节点、设置在多个节点之间的下节点、和晶胞高度，该晶胞高度为上节点和下节点之间的距离，其中每个成角度的支柱的第二端部位于距离第二表面最近但与该第二表面仍有一定距离的下节点上；和以法线方向从第一表面延伸至第二表面上的立柱，该立柱具有位于第一表面上的第一端部和穿过与第二表面距离最近的下节点延伸至第二表面的第二端部。
[0016]在一个实施例中，第一表面和第二表面之间只有一层晶胞。
[0017]在一个实施例中，第一表面和第二表面之间至少有两层晶胞。
[0018]在一个实施例中，第一微桁架架构包括:第一表面和第二表面，该第一表面和第二表面彼此平行且该第一表面和第二表面之间具有一定距离，从而限定该微桁架架构的厚度；沿多个非垂直方向延伸的多个成角度的支柱，每个成角度的支柱具有在第一表面上的第一端部、和第二端部；多个节点，沿多个方向延伸的多个成角度的支柱在该多个节点处互相贯通；该多个成角度的支柱和多个节点限定多个晶胞，每个晶胞具有在多个节点之间的上节点、在多个节点之间的下节点、和晶胞高度，晶胞高度为上节点和下节点之间的距离，其中多个成角度的支柱中的每一个的第二端部经过最靠近第二表面的下节点延伸至第二表面上；和在法线方向上从第一表面延伸的立柱，该立柱具有在第一表面上的第一端部和设置在与第二表面距离最近但与第二表面仍有一定距离的下节点上的第二端部。
[0019]在一个实施例中，第一微桁架架构包括:第一表面和第二表面，该第一表面和第二表面彼此平行且该第一表面和第二表面之间具有一定距离，从而限定该微桁架架构的厚度；沿多个非垂直方向延伸的多个成角度的支柱，每个成角度的支柱具有在第一表面上的