[發(fā)明專利]一種基于卡扣結(jié)構(gòu)的機(jī)械能吸收超材料及其制作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710675026.X
• 申請(qǐng)日: 2017-08-09
• 公開（公告）號(hào): CN107498934B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周濟(jì);李勃;吳玲玲
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): B32B3/08
• 分類號(hào): B32B3/08;B32B3/28;B32B37/02;B29C33/42
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;周治宇

本發(fā)明涉及一種基于卡扣結(jié)構(gòu)的機(jī)械能吸收超材料及其制作方法，其中，該超材料包括多個(gè)呈陣列排布的單層機(jī)械超材料，相鄰兩單層機(jī)械超材料鏡像設(shè)置并通過(guò)硬質(zhì)隔板固定連接；其中，單層機(jī)械超材料包括沿長(zhǎng)度方向并排設(shè)置有多個(gè)獨(dú)立的卡扣槽的基體，相鄰兩卡扣槽之間在基體上形成柔性的連接梁；卡扣槽包括相互之間配合并相隔固定距離的卡扣和卡槽；單層機(jī)械超材料采用柔性彈性體制造而成；單層機(jī)械超材料包括卡扣與卡槽分離的第一穩(wěn)定狀態(tài)和卡扣與卡槽結(jié)合的第二穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)外界施加的載荷達(dá)到機(jī)械能吸收的最大值時(shí)，單層機(jī)械超材料能夠從第一穩(wěn)定狀態(tài)切換到第二穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)再施加相反方向的載荷時(shí)單層機(jī)械超材料能恢復(fù)到第一穩(wěn)定狀態(tài)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)械能吸收領(lǐng)域，尤其涉及一種基于卡扣結(jié)構(gòu)的機(jī)械能吸收超材料及其制作方法。

背景技術(shù)

在工程事故中，常用的防撞擊方法都是通過(guò)金屬、塑料、陶瓷等材料的破壞性形變來(lái)吸收機(jī)械能，從而減少事故造成的損失，保護(hù)當(dāng)事人或精密儀器的安全，例如汽車保險(xiǎn)杠、高速公路上經(jīng)常使用到的防撞護(hù)欄等。然而，這些方法都不具備可重復(fù)利用性，而且這些機(jī)械能吸收結(jié)構(gòu)一旦制作好之后，它們所具備的機(jī)械能吸收性能就已經(jīng)固定，不具備可調(diào)性，從而限制了它們的應(yīng)用領(lǐng)域，工程使用成本較大。尤其是在事故頻發(fā)的場(chǎng)合，需要經(jīng)常更換壞掉的防撞組件，不僅造成很大浪費(fèi)，而且操作復(fù)雜，耗時(shí)耗力。因此，設(shè)計(jì)出一種可重復(fù)利用、性能可調(diào)、操作便捷、制作成本低的新型防撞吸能結(jié)構(gòu)材料迫在眉睫。

機(jī)械超材料是一種人造結(jié)構(gòu)材料，具有周期性的單元，這些單元結(jié)構(gòu)的尺寸是特殊設(shè)計(jì)的，從而獲得自然界材料通常不具備的奇異力學(xué)性能，如負(fù)泊松比、負(fù)熱膨脹、單向傳播特性、非線性機(jī)械特性等。這些奇異的力學(xué)性能是來(lái)自其結(jié)構(gòu)的特征，而不是組成它的材料本身。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種基于卡扣結(jié)構(gòu)的機(jī)械能吸收超材料及其制作方法，采用由柔性彈性體材料制作而成的卡扣和卡槽結(jié)構(gòu)構(gòu)成機(jī)械超材料，得到的機(jī)械能吸收超材料具有力學(xué)性能可調(diào)、易于制備、造價(jià)低、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種基于卡扣結(jié)構(gòu)的機(jī)械能吸收超材料，其特征在于，該超材料包括多個(gè)呈陣列排布的單層機(jī)械超材料，相鄰兩所述單層機(jī)械超材料鏡像設(shè)置并通過(guò)硬質(zhì)隔板固定連接；其中，所述單層機(jī)械超材料包括基體，所述基體上沿其長(zhǎng)度方向并排設(shè)置多個(gè)獨(dú)立的卡扣槽，相鄰兩所述卡扣槽之間在所述基體上形成柔性的連接梁；所述卡扣槽包括卡扣和卡槽，且所述卡扣和卡槽之間相互配合并相隔固定的距離；所述單層機(jī)械超材料采用柔性彈性體制造而成；所述單層機(jī)械超材料包括所述卡扣與所述卡槽分離的第一穩(wěn)定狀態(tài)和所述卡扣與所述卡槽結(jié)合的第二穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)外界施加的載荷達(dá)到機(jī)械能吸收的最大值時(shí)，所述單層機(jī)械超材料能夠從所述第一穩(wěn)定狀態(tài)切換到所述第二穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)載荷撤去后，所述單層機(jī)械超材料依然保持所述第二穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)再施加相反方向的載荷時(shí)所述單層機(jī)械超材料能恢復(fù)到所述第一穩(wěn)定狀態(tài)。

所述單層機(jī)械超材料能夠吸收的機(jī)械能由所述卡扣和卡槽之間的開口寬度比例、進(jìn)出角度和摩擦系數(shù)決定。

所述柔性彈性體由本體和交聯(lián)劑兩種組分構(gòu)成；所述本體與交聯(lián)劑的配比中，所述交聯(lián)劑的比例越大，固化后得到的所述柔性彈性體的彈性模量越大。

通過(guò)表面潤(rùn)滑處理能夠?qū)λ隹酆涂ú壑g的摩擦系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

一種基于卡扣結(jié)構(gòu)的機(jī)械能吸收超材料的制作方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)單層機(jī)械超材料需要吸收的機(jī)械能量級(jí)，對(duì)單層機(jī)械超材料的尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括卡扣和卡槽的開口寬度比例和進(jìn)出角度；然后反推出單層機(jī)械超材料模具的結(jié)構(gòu)；

2)根據(jù)步驟1)確定的單層機(jī)械超材料模具的結(jié)構(gòu)，制備單層機(jī)械超材料模具；

3)根據(jù)單層機(jī)械超材料需要的彈性模量確定柔性彈性體的本體與交聯(lián)劑的配比比例，然后將組成柔性彈性體的組分按照確定的比例攪拌均勻，倒入單層機(jī)械超材料模具中，然后烘干固化；