[實用新型]一種仿生輕質高強耐熱沖擊復合結構

有效

• 申請號: 201720259698.8
• 申請日: 2017-03-17
• 公開（公告）號: CN206884298U
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發明（設計）人: 錢志輝;楊茗茗;周亮;武冀杰;黎亦磊;劉燕;任雷;任露泉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B32B3/12
• 分類號: B32B3/12;B32B9/00;B32B33/00;F16L59/02
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙)22103
• 代理人: 張建成

技術領域

本實用新型涉及仿生結構工程技術領域，具體涉及一種仿槍蝦螯部斷層結構的輕質高強耐熱沖擊復合結構。

背景技術

近年來，隨著深空、深海、深地等極端環境探測領域的快速發展，高端設備中的關鍵部件，如發動機的工作葉片、渦輪盤、燃燒室等，迫切需求該類部件兼具輕質、高強特征且耐熱沖擊、抵抗斷裂破壞等性能，這也已成為國內外學者廣泛關注的研究熱點。但是，目前應用在該領域的相關關鍵部件多數僅具有輕質高強特性而普遍存在耐熱沖擊性能差的缺陷，由此已經成為此類裝備發展的瓶頸。

而自然界的生物為這一問題的解決提供了新思路。生活在海洋中的槍蝦，可以通過快速閉合螯部，產生空化氣泡將獵物瞬間擊暈或擊斃。研究表明，當槍蝦瞬間快速閉合螯部發動攻擊時，會沖擊周邊的水體產生氣泡。這些氣泡在周圍水體的壓力下距離螯部尖端約3mm處發生瞬間爆裂，產生空穴現象，進而產生4500-4700℃的高溫。螯部在水中的快速閉合運動要求其具備輕質和高強的特性，而空穴現象產生的瞬間高溫則要求螯部具有耐熱沖擊的功能。由此，槍蝦螯部的生物結構為設計一種兼具輕質高強耐熱沖擊功能特征的仿生復合結構提供了天然的生物藍本。

試驗觀察發現，槍蝦螯部斷層大致可分為四層，從外到內分別是最外層的礦化層，第二層的豎向片層復合結構，第三層螺旋夾板層，第四層的橫向層狀結構。這四層結構不同，厚度各異，功能也不同。作為直接接觸外部環境的最外部的硬質礦化層具有抵抗外部機械沖擊，保護內部結構的作用；第二層由大量豎向纖維片層組成，片層間構成空腔，這種結構不僅顯著減輕了整體重量，還使其具備了較強的抗壓性能，同時還有效阻隔熱量的傳遞。第三層為螺旋夾板層，由若干個纖維束單元交錯堆砌而成，這種交錯堆砌結構有效造成裂紋偏轉進而阻斷裂紋的擴展，提高了止裂性能。第四層為多薄層疊加而形成的橫向復合層狀結構，層層疊加使第四層整體具備了足夠的豎向剛度。因此，槍蝦螯部這種優化的斷層結構為其適應于快速閉合運動、承受機械沖擊與熱沖擊的捕食運動模式提供了有效保障。

綜觀上述極端工作環境下結構構件的研究現狀，以及槍蝦螯部斷層的特殊生物結構功能特征，急需一種仿生輕質高強耐熱沖擊的復合結構。

發明內容

本實用新型的目的是為了解決當今工作在極端環境下的設備，其相關關鍵部件多數僅具有輕質高強特性而普遍存在耐熱沖擊性能差的缺陷，而提供一種仿生輕質高強耐熱沖擊復合結構。

本實用新型包含外部保護層、豎向仿生隔熱抗壓層、仿生止裂層、橫向仿生支撐層。外部保護層、豎向仿生隔熱抗壓層、仿生止裂層、橫向仿生支撐層依次粘合在一起，并且外部保護層、豎向仿生隔熱抗壓層、仿生止裂層、橫向仿生支撐層的厚度比為1:6:6:1。

所述的外部保護層為致密的整體結構，能夠有效保護各層結構，同時起到防水作用。

所述的豎向仿生隔熱抗壓層由若干個豎向仿生柵格層疊加粘合而成，豎向仿生柵格層這種多空腔的柵格結構，具有很強的抗壓性能，同時可以有效阻隔環境熱量。由于空腔結構的存在，使豎向仿生柵格層質量較輕。這里，豎向仿生柵格層的寬度與相鄰空腔的寬度比例為1：1，豎向仿生柵格層的長度和豎向仿生柵格層的寬度比為2：1。

所述的仿生止裂層由若干個仿生止裂層構成單元逐層排列粘合而成，仿生止裂層中的每一層均由仿生止裂層構成單元依次排列構成，并且仿生止裂層中的每一層中的仿生止裂層構成單元排列方式相同，并相對于下面一層中的仿生止裂層構成單元在法線方向旋轉了一定角度，這里，旋轉的角度范圍為15°-45°。這種單個單元的交錯堆砌結構可以有效的阻止整體結構的斷裂。

所述的橫向仿生支撐層由若干個橫向仿生支撐層單元逐層粘合而成，橫向仿生支撐層單元由質量輕、剛度大的碳纖維復合材料制作，多個橫向仿生支撐層單元疊加在一起，使橫向仿生支撐層擁有良好的支撐性能，使整個復合結構的力學性能更加完善。

本實用新型的工作過程和原理：