仿石鳖壳抗冲击防护结构及制备方法

本发明涉及仿生结构工程，尤其涉及一种仿石鳖壳抗冲击防护结构及制备方法。

背景技术：

1、抗冲击防护结构在航空航天、交通运输、军事防护等领域具有广泛的应用，如航空发动机叶片、电动汽车的电池保护壳、防弹头盔等，其关键部件对结构抗冲击性能的要求逐渐提高。抗冲击防护结构具有吸收冲击能量、保护本体、减少本体损伤的作用。

2、然而，现有大多数的抗冲击防护结构形式单一，缺乏有效的增韧机制，易导致冲击载荷在结构内部产生应力集中，对冲击载荷的传导扩散效果较差，造成材料局部破坏；抗冲击防护结构采用单一材料制备，抗冲击性能有限，并且具有重量大的缺点。

3、因此，现有技术仍需进一步改进与发展。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种仿石鳖壳抗冲击防护结构及制备方法，本发明提供了一种仿石鳖壳抗冲击防护结构，本发明在提高结构抗冲击性能的前提下，实现了结构的轻量化，降低了制造和使用成本。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种仿石鳖壳抗冲击防护结构，其中，包括：从上至下依次层叠设置的上层、中层和下层；所述上层、中层和下层依次连接的面设置为软相材料制备的界面层；

4、所述上层、中层和下层分别由多个结构单元依次连接而成，所述结构单元之间为软相材料制备的界面层，所述结构单元为硬相材料制备的结构单元；

5、其中，所述上层及下层的各结构单元之间的连接方式为，沿x方向是正弦曲线型互嵌的界面结构及沿y方向呈覆瓦状重叠；所述中层的各结构单元之间的连接关系为，沿x方向是呈正弦曲线型互嵌的界面结构及沿y方向是呈覆瓦状重叠。

6、所述的仿石鳖壳抗冲击防护结构，其中，所述结构单元之间的连接方式沿x方向采用模仿石鳖壳的正弦曲线型互嵌的界面结构。

7、所述的仿石鳖壳抗冲击防护结构，其中，所述结构单元之间的连接方式沿y方向采用模仿石鳖壳的交叉层状的呈覆瓦状重叠结构。

8、所述的仿石鳖壳抗冲击防护结构，其中，所述上层、中层和下层逐层旋转预定角度。

9、所述的仿石鳖壳抗冲击防护结构，其中，所述预定角度为90度，所述中层相对于所述上层，绕中轴线逆时针旋转了90度，所述下层相对于所述中层逆时针旋转了90度。

10、所述的仿石鳖壳抗冲击防护结构，其中，所述结构单元的倾斜方向与水平面之间的夹角为30°～60°。

11、所述的仿石鳖壳抗冲击防护结构，其中，所述正弦曲线的振幅为0.3～1mm，周期为1～3mm。

12、所述的仿石鳖壳抗冲击防护结构，其中，所述上层、中层和下层的尺寸相同；所述结构单元的长、宽和高均为1～5mm。

13、所述的仿石鳖壳抗冲击防护结构，其中，所述软相材料制备的界面层的厚度为0.1～0.4mm；所述硬相材料的体积百分比为60％～90％；

14、所述硬相与软相材料的弹性模量比值为500～2000。

15、一种如上任一项所述的仿石鳖壳抗冲击防护结构的制备方法，其中，包括步骤：

16、利用直接墨水书写3d打印技术制备陶瓷材料的结构单元，将结构单元按照设计的结构排布在预先设置好的仿石鳖壳抗冲击防护结构的模具内，加入环氧树脂胶液，在预定温度和压力下成型，制备出仿石鳖壳的抗冲击结构。

17、本发明根据仿生学原理，基于石鳖壳交错层状结构和正弦型互嵌界面结构，本发明提供了一种新型的仿石鳖壳抗冲击防护结构及制备方法，本发明的仿石鳖壳抗冲击防护结构在受到冲击时具有曲折的裂纹扩展路径，且层间界面具有裂纹滞止和裂纹分叉的增韧机制；正弦型互嵌界面结构和覆瓦状重叠结构能够使冲击载荷沿着横向和纵向实现能量耗散，有效降低了应力集中，实现了冲击能量的合理分布，并且交错层状结构和互嵌界面结构的耦合作用，引入了类似矿物桥接的强韧机制，提高了结构的抗冲击性能。所述结构采用两种材料3d打印成型，刚柔耦合的材料配置，兼具强度和韧性，在提高结构抗冲击性能的前提下，实现了结构的轻量化，降低了制造和使用成本。

技术特征：

1.一种仿石鳖壳抗冲击防护结构，其特征在于，包括：从上至下依次层叠设置的上层、中层和下层；所述上层、中层和下层依次连接的面设置为软相材料制备的界面层；

2.根据权利要求1所述的仿石鳖壳抗冲击防护结构，其特征在于，所述结构单元之间的连接方式沿x方向采用模仿石鳖壳的正弦曲线型互嵌的界面结构。

3.根据权利要求1所述的仿石鳖壳抗冲击防护结构，其特征在于，所述结构单元之间的连接方式沿y方向采用模仿石鳖壳覆瓦状重叠结构。

4.根据权利要求1所述的仿石鳖壳抗冲击防护结构，其特征在于，所述上层、中层和下层逐层旋转预定角度。

5.根据权利要求4所述的仿石鳖壳抗冲击防护结构，其特征在于，所述预定角度为90度，所述中层相对于所述上层，绕中轴线逆时针旋转了90度，所述下层相对于所述中层逆时针旋转了90度。

6.根据权利要求1所述的仿石鳖壳抗冲击防护结构，其特征在于，所述结构单元的倾斜方向与水平面之间的夹角为30°～60°。

7.根据权利要求1所述的仿石鳖壳抗冲击防护结构，其特征在于，所述正弦曲线的振幅为0.3～1mm，周期为1～3mm。

8.根据权利要求1所述的仿石鳖壳抗冲击防护结构，其特征在于，所述上层、中层和下层的尺寸相同；所述结构单元的长、宽和高均为1～5mm。

9.根据权利要求1所述的仿石鳖壳抗冲击防护结构，其特征在于，所述软相材料制备的界面层的厚度为0.1～0.4mm；所述硬相材料的体积百分比为60％～90％；

10.一种如权利要求1-9任一项所述的仿石鳖壳抗冲击防护结构的制备方法，其特征在于，包括步骤：

技术总结
本发明公开仿石鳖壳抗冲击防护结构及制备方法，包括：从上至下依次层叠设置的上层、中层和下层；上层、中层和下层依次连接的面设置为软相材料制备的界面层；上层、中层和下层分别由多个结构单元依次连接而成；上层及下层的各结构单元之间的连接方式为，沿X方向是正弦曲线型互嵌的界面结构及沿Y方向呈覆瓦状重叠；中层结构单元之间的连接方式与上层、下层相反。本发明交错层状结构在受到冲击时具有曲折的裂纹扩展路径，正弦型互嵌界面和覆瓦状重叠结构能够使冲击载荷沿着横向和纵向实现能量耗散，有效降低了应力集中，实现了冲击能量的合理分布，两种结构的耦合作用显著提高了结构的抗冲击性能，实现了结构的轻量化，降低了制造和使用成本。

技术研发人员：牛士超,彭显昌,韩志武,张俊秋,郭冬芳,苏文波,李玉姣,陈友
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13