一种多相复合可恢复吸能超材料及其制备方法

本发明属于吸能超材料，涉及一种多相复合可恢复吸能超材料及其制备方法。

背景技术：

1、“跨介质飞行器”可以掠海飞行并且进入水下变为超高速新型探测器，利用这种空中水下两种不同介质的高速飞行器可以大大提升空海一体探查效率。其在跨介质过程中飞行器蒙皮需要承受巨大的冲击力。传统刚性蒙皮在冲击过程中易产生不可逆形变，而柔性吸能材料制备的蒙皮变形量大，能量吸收能力较低。因此急需一种高能量吸收能力且形变可恢复的特种吸能材料。

2、通过增材制造的三维机械超材料利用拉胀型超材料的结构优势，又能充分发挥材料的能量吸收的潜力。增材制造的三维机械超材料可以分为变形可以恢复的弹性超材料和变形不可恢复的塑性超材料。其中，不可重复使用的超材料多采用塑料、金属结构，由于材料本身的塑性变形吸收冲击能量，其优势在于能力吸收能力较高，但由于形变不可恢复，不能满足“跨介质飞行器”蒙皮的需要。另一种变形可以恢复的弹性超材料通过材料的弹性变形吸收冲击能量，当冲击力撤去后材料可以快速恢复原始性状。其优秀的变形恢复功能使其成为“跨介质飞行器”蒙皮的潜在可能。

3、但是由于弹性超材料的比能量较少、增材制造使用的材料机械性能不足，很难达到高效的吸收能量。这成为增材制造弹性超材料用于“跨介质飞行器”蒙皮的一个瓶颈。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有弹性超材料的比能量较少、增材制造使用的材料机械性能不足，很难达到高效的吸收能量。这成为增材制造弹性超材料用于“跨介质飞行器”蒙皮的一个瓶颈，提出了一种多相复合可恢复吸能超材料及其制备方法。

2、为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案。

3、第一方面提供了一种多相复合可恢复吸能超材料，包括中空椭球面的蒙皮、蒙皮内部的吸能晶格和填充在晶格中的流体阻尼材料，所述的蒙皮为光固化复合材料，通过光固化增材制造成形，所述的吸能晶格为光固化复合材料，通过光固化增材制造与蒙皮一体化成型，所述的阻尼材料由阻尼分散相和阻尼介质组成，填充在蒙皮和晶格的间隙中。

4、所述蒙皮在冲击力作用下发生弹性变形；所述中空椭球面的蒙皮为一体化成形；所述晶格中的流体阻尼材料通过浇筑填充在晶格中且浇筑后固化密封浇筑口；所述流体阻尼材料在冲击载荷的作用下发生可控形变并具有能量吸收能力，当冲击载荷消失后材料形状可恢复。

5、未发生剪切时，流体阻尼材料的阻尼分散相呈二维有序层状排列，当剪切力超过临界值时阻尼分散相的流动不稳定，有序层状排列的结构被破坏，粒子的无序排列结构使分散体系的粘度增加，将冲击动能通过粒子间摩擦转化为内能，起到冲击力吸收作用；所述冲击力吸收即吸能过程；所述吸能过程中晶格结构以可约拓扑的弯曲或屈曲为主并具有高度的结构连通性，在静态压缩时表现出负泊松比和较大的几何非线性；当尽可能多的结构单元与荷载方向不一致，同时保证足够的结构失稳和力耗散时，结构的耗能效率最高；同时内部填充的阻尼材料在发生快速剪切时粘度大幅上升，使冲击力通过阻尼介质的摩擦转化成内能，而不仅通过纤细晶格的弹性变形吸收能量，大大提高了材料的能量吸收能力；当冲击力撤去后，流体阻尼材料恢复正常粘度，在弹性晶格作用下恢复原始形状；所述吸能晶格与阻尼介质的协同实现了可恢复吸能超材料高比能量及自恢复效果。

6、所述蒙皮的直径为200～1500mm，优选直径为400-500mm。所述蒙皮的厚度为5～10mm，优选厚度为4～8mm；所述蒙皮中空部分厚度为5～20mm，优选厚度为3～10mm。

7、所述光固化复合材料由耐高温烧蚀填料和光固化树脂组成。耐高温烧蚀氧化物填料的质量分数占比为10％～90％，优选为70％～85％。

8、所述吸能晶格包括多个规则重复的晶胞，所述晶胞尺寸为0.6～10mm，组成所述晶胞的杆径为0.4mm～2mm，所述晶胞的杆径的长径比为1～50。

9、所述阻尼分散介质由气相二氧化硅、纳米碳酸钙、二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯微球和淀粉中一种或多种组成，所述阻尼分散介质中径为5～500nm，优选为10～1000nm。

10、所述阻尼介质由水、乙醇、环己烷、己二醇、丙三醇、聚乙二醇中一种或多种组成。

11、所述耐热高温烧蚀填料为方石英、高温玻璃、氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅一种或几种组成，所述耐热高温烧蚀填料中径为1～200um，优选为20～80um。

12、所述光固化树脂为hdda、edgma、hema、季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、乙氧化双酚a二甲基丙烯酸酯、三环葵烷二甲醇二丙烯酸酯、改性peek、tpo、tpo-l、改性丙烯酸树脂低聚物、邻苯二甲酸二丁酯一种或几种组成的液体树脂，所述光固化树脂粘度为0.005～20pa.s，优选为0.01～0.1pa.s。

13、本发明在第二方面提供了一种多相复合可恢复吸能超材料制备方法，包括如下步骤：

14、根据蒙皮外形尺寸设计带有晶格结构的中空蒙皮数字模型，并设计浇筑开口；

15、将数字模型导入增材制造设备，一体化成形蒙皮与晶格结构；

16、通过真空搅拌机制备阻尼材料，并浇注至中空蒙皮内部；

17、使用蒙皮材料固化密封浇筑口，制得多相复合可恢复吸能超材料；

18、上述多相复合可恢复吸能超材料高效吸能恢复原理如下：

19、在冲击力的作用下蒙皮发生弹性变形，其中空结构内弹性晶格为其提供了良好的变形空间；为解决弹性晶格比能量较小的性能瓶颈，在弹性晶格中装填涨塑性阻尼材料；未发生剪切时阻尼介质中的阻尼分散体呈二维有序层状排列，当剪切力超过临界值时阻尼分散体的流动不稳定，有序层状排列的结构被破坏，粒子的无序排列结构使分散体系的粘度增加，将冲击动能通过粒子间摩擦转化为内能，起到冲击力吸收作用；而冲击力撤去后，涨塑性阻尼材料恢复正常粘度，在弹性晶格作用下恢复原始形状；弹性晶格与胀塑性阻尼介质的协同作用实现了可恢复吸能超材料高比能量同时具有良好的自恢复效果。

20、有益效果

21、本发明提出了一种多相复合可恢复吸能超材料及其制备方法，与现有吸能超材料制备技术相比，具有如下有益效果：

22、1.所述吸能超材料及其制备方法，具有大变形下良好的形状恢复率：传统单一材料制备吸能材料在变形恢复过程受制于材料的弹性极限问题，常用的泡沫塑料、泡沫金属、泡沫混凝土弹性极限低，吸能后发生塑性变导致性状不可恢复；而本发明制备的多相复合可恢复吸能超材料，蒙皮与晶格结构均采用高弹性极限的光固化复合材料且通过蒙皮的中空设计及弹性晶格的填充增加其弹性变形尺寸，即所述蒙皮的中空结构内弹性晶格为所述蒙皮提供了良好的变形空间；填充的阻尼材料在慢速的变形恢复中粘度低，变形恢复阻力降低，实现材料大变形下良好的形状恢复率，解决了弹性晶格比能量较小的瓶颈；

23、2.所述方法通过光固化增材一体化制造的蒙皮与晶格结构是一种机械吸能超材料，在吸能过程中晶格结构以可约拓扑的弯曲或屈曲为主并具有高度的结构连通性，在静态压缩时表现出负泊松比和较大的几何非线性；当尽可能多的结构单元与荷载方向不一致，同时保证足够的结构失稳和力耗散时，结构的耗能效率最高。同时内部填充的阻尼材料在发生快速剪切时粘度大幅上升，使冲击力通过阻尼介质的摩擦转化成内能，弥补了单纯机械吸能超材只能通过纤细晶格的弹性变形吸收能量的问题，大大提高了材料的能量吸收能力；

24、3.所述方法制备多相复合可恢复吸能超材料结构简单，工艺流程短，通过增材制造可以一体化成型蒙皮和吸能晶格，无需额外的粘结、装配过程制备简单、设计灵活度高；同时蒙皮的尺寸及晶格的结构设计可根据实际需要灵活调整。