[發明專利]一種用于增強功能表面耐損傷性能的多層級微納力學結構

在審

• 申請號: 202110965746.6
• 申請日: 2021-08-23
• 公開（公告）號: CN113772616A
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 牛東;劉紅忠;張明星;彭海;李大超
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B81B3/00
• 分類號: B81B3/00;B81B5/00;B82Y40/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種用于增強功能表面耐損傷性能的多層級微納力學結構，包括連接的微納復合結構功能層、互連網絡結構功能層和力學人工結構功能層；微納復合結構功能層為發揮表面功能的微柱陣列結構，互連網絡結構功能層為硬相與軟相互連結構，硬相之間由軟相材料連接，形成不穩定平行四邊形，在微柱末端平面應力的作用下，自發旋轉或重構，降低微柱末端應力與應變的表觀數值；力學人工結構功能層為具有力學屬性可重構的人工晶格組成的陣列結構，通過人工晶格的時空域重構，優化應力傳遞路徑與應變能密度，降低功能表面的應力集中；本發明引入動態結構，提高表面功能層的耐損傷容限，提升功能表面的服役周期、保障功能表面的性能。

技術領域

本發明屬于微納結構功能表面技術領域，具體涉及一種用于增強功能表面耐損傷性能的多層級微納力學結構。

背景技術

在材料表面構建微納尺度結構，有助于改善材料表面功能、調控材料界面狀態，形成適應不同需求的功能表面，例如使材料具備抗冰、超疏水、陷光等特性，這在航空航天、汽車、微電子、新能源等領域有著廣泛的應用前景。

然而，在服役過程中，在外界荷作用下，如顆粒磨損、滴液沖擊、流體剪切等，受限于結構的力學屬性與結構特征，功能表面會表現出局部過高的應力或者應變狀態，造成局部壓力過大和應力集中，導致結構的坍塌、斷裂等力學失效。以能實現防/除冰的飛行器蒙皮表面功能層為例，飛行器高速行駛時，蒙皮表面微納結構在塵埃、砂石、雨雪等高速沖擊下，局部結構會承受較高的沖擊載荷與集中應力，會誘發的結構斷裂等表面機械損傷。

目前，針對功能表面的耐損傷問題，國內外的主要研究集中在增強和優化材料與結構的靜態屬性上，主要包括通過提升微納結構材料的力學屬性提升和結構協同優化，隨著耐損傷要求的提高，基于靜態的增強技術對材料與結構的要求只會越來越嚴格，研發難度也會越來越大，通過動態改變屬性來提高功能表面耐損傷還少有人涉及，通過引入材料與結構的動態屬性，能夠進一步擴展功能表面耐損設計的空間。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供了一種用于增強功能表面耐損傷性能的多層級微納力學結構，通過引入動態結構，利用結構的幾何特征、力學屬性的時變化，改善外界載荷作用下功能表面的應力傳遞、分布與均化效果，提高表面功能層的耐損傷容限，提升功能表面的服役周期、保障功能表面的性能。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種用于增強功能表面耐損傷性能的多層級微納力學結構，包括連接在一起的微納復合結構功能層1、互連網絡結構功能層2和力學人工結構功能層3；

所述的微納復合結構功能層1為發揮表面功能的微柱陣列結構，用于實現所需的表面功能，實現材料表面改性；

所述的互連網絡結構功能層2為硬相6與軟相7互連結構，用于連接微納復合結構功能層1與力學人工結構功能層3，且硬相6之間由軟相7材料連接，形成不穩定平行四邊形，在微柱4末端平面應力的作用下，自發旋轉或重構，從而增大載荷承載面積，降低微柱4末端應力與應變的表觀數值；

所述的力學人工結構功能層3為具有力學屬性可重構的人工晶格組成的陣列結構，通過人工晶格的時空域重構，優化應力傳遞路徑與應變能密度，降低功能表面的應力集中。

所述的力學屬性可重構的人工晶格，能夠發生應力/應變曲線和應變能密度的改變，力學人工結構功能層3通過局部人工晶格力學屬性的重構，實現局部區域的力學屬性提升，降低局部的應力集中，提升耐損傷性能。

當外界局部載荷作用于微納復合結構功能層1時，承載的微柱4能夠將末端平面應力，向下傳遞到互連網絡結構功能層2，通過互連網絡結構功能層2的硬相6與軟相7結構的相對旋轉效應，增大下端承載面積，降低表觀應力；繼而，在應力繼續向下傳遞過程中，力學人工結構功能層3通過重構人工晶格的屬性，提升或改變局部區域的力學屬性，調節應力傳遞的路徑與空間分布效果，使區域耐損傷性能提升。