[發明專利]拓撲優化的高界面填充結構

有效

• 申請號: 201780080599.6
• 申請日: 2017-11-02
• 公開（公告）號: CN110114210B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 克里斯蒂娜·A·羅瑪瑟尼
• 申請（專利權）人: 莫杜美拓有限公司
• 主分類號: B32B5/18
• 分類號: B32B5/18;B32B15/04;B32B3/12;B32B3/20;C23C28/00
• 代理公司: 北京商專永信知識產權代理事務所(普通合伙) 11400
• 代理人: 方挺;黃謙

本公開提供了包括空隙體積至少為40％的層壓材料的制品，所述層壓材料具有晶格結構，所述晶格結構包括多個相互連接的支柱，所述支柱形成向三個維度或兩者個維度延伸的一系列多面體，其中層壓材料具有至少2.0界面/微米(μm)的界面密度。本公開還描述了形成所述制品的方法。

背景

技術領域

本發明總體涉及包含多孔結構的高界面填充材料的制品及其制備方法。

背景技術

自然界提供了許多實例，在層狀結構中加入不同的材料，以生產比相同材料的混合物更硬更堅韌的復合材料。研究人員已經報道了通過在層狀結構中配置陶瓷和聚合物基體來成功模擬自然界的增韌機制。所得材料的韌性是其組分韌性的300多倍(以能量計)。。

數千年來，自然對高效結構材料的進化產生了人類已知的最輕、最堅韌和最堅硬的材料。這些材料已經進化到能夠使物種移動、受保護和生存。自然進化的結構中有重量輕但結實的骨頭(圖1B；參見，例如，MacRae,A.,Fossil Dinosaur Bone Microstructure,University ofCalgary atAlberta(恐龍骨骼顯微結構化石，阿爾伯塔卡爾加里大學))、堅硬的巨嘴鳥喙(圖1A；參見，例如，Meyers,M.Engineers Discover Why Toucan Beaks areModels of Lightweight Strength,UCSD School ofEngineering Newsletter,2005(工程師發現為什么巨嘴鳥是輕量級力量的模范，加州大學圣迭哥分校工程學院通信，2005))，以及牡蠣和其它海洋生物堅硬而堅韌的外殼(圖1C；參見，例如，R.Z.Wang,et al.,Deformation Mechanisms inNacre,Journal ofMaterials Research(珍珠層的變形機制，材料研究雜志),16(9)2485-93(2001))。這些天然材料展現了優雅的材料特性組合，這些特性在人造材料中通常是互斥的，迄今為止一直是材料工程師所回避的。本領域仍然需要具有高強度、韌性和/或硬度以及低密度和/或重量的改進層壓材料。本公開提供了這一優點和其它相關優點。

發明內容

本公開描述了改進的材料和方法，其利用多標量、拓撲優化和層壓來遞送高界面填充(HIP)材料，例如工程結構材料(ESM)，這種材料和方法克服了在均質散裝材料中遇到的傳統材料-性能無法平衡的問題。在通過本文所述方法制成的結構材料中，有拓撲優化的輕質和超高性能結構材料，其通過結合具有高界面填充(HIP)的可定制納米層壓結構(參見，例如，圖2A中的SEM)而制成，所述HIP結構可以使用包括電沉積過程在內的室溫過程來制備。

電沉積通過在各種導電材料上形成層壓材料，提供了一種在層壓結構中連接不同材料的低成本方法，所述層壓材料包括金屬、合金、導電聚合物或通過施加導電涂層而導電的聚合物。這種層壓材料可以被定制以生產具有結構性能的材料，所述結構性能具有獨特和所需的性能屬性，例如與未涂覆的工件相比，具有更低密度的和更高的屈服強度韌性。

本公開的實施方案提供了用于在三維(3D)結構上生產包括HIP材料的復合結構的方法。還有的實施方案通過控制材料的拓撲(密度級配)和界面密度(層壓)對材料特性和性能進行精確控制。本公開還描述了多標量性能模型的開發，所述多標量性能模型能夠在納米到毫米長度的尺度上可靠地建模架構控制參數。

本公開描述了一種性能模型，所述性能模型可以與生產模型耦合，以證明確定導致最佳性能的結構參數和電化學過程參數的可行性，所述電化學過程參數使得能夠進行產生目標微結構特征所需的微結構和納米結構控制。此外，本公開描述了將硬度和韌性的相互依賴性解耦以制造呈現高模量(剛度)和低密度的有利組合的材料。