用于減輕爆炸和沖擊的損傷的能量吸收桁架結構的制作方法
【專利說明】用于減輕爆炸和沖擊的損傷的能量吸收桁架結構
[0001]關于聯邦資助的研發情況
[0002]本發明是由美國國防部高級研究計劃局(DARPA)國防科學辦公室根據合同N0.W91CRB-11-C-0112在美國政府支持下完成的。美國政府享有本發明的權利。
[0003]相關申請的交叉引用
[0004]在美國專利N0.7，382，959 ( “Optically oriented three-dimens1nal polymermicrostructures，，)、美國專利 N0.8，353，240 (“Compressible fluid filled micro-trussfor energy absorpt1n”)和申請日為2007年5月10日的美國專利申請N0.11/801,908、申請日為2008年I月11日的美國專利申請N0.12/008，479、申請日為2008年3月5日的美國專利申請12/074,727、申請日為2008年3月6日的美國專利申請N0.12/075,033以及申請日為2009年6月I日的美國專利申請N0.12/455,499中已經對將金屬晶格(桁架)材料用于能量吸收應用的用途做了討論，上述文件作為參考在本發明中全文引用。多種微桁架結構和制造微桁架結構的方法已在現有文件中做了描述，例如，美國專利申請N0.12/455，449公開了制造具有固定面積的微桁架結構的方法、美國專利申請N0.12/835，276公開了根據連續過程(例如，任意長度的條帶)連續制造微桁架結構的方法以及美國專利N0.8，353，240中公開了用于能量吸收的可壓縮流體填充的微桁架。上述交叉引用申請中的每一個都通過引用其全文的方式被合并在本發明中。
技術領域
[0005]下述說明涉及能量吸收材料，更具體地，涉及用于減少爆炸和沖擊的損傷的周期性、順序排列的具有增強的能量吸收能力的微桁架結構的多孔材料。
【背景技術】
[0006]能量吸收材料廣泛用于保護人員和貨物免受沖擊和壓力的損傷。在沖擊或爆炸事件中，這些材料應當通過最大量地吸收能量而將沖擊載荷降低到損傷閥值水平以下，不會傳遞超過損傷閥值的能量。汽車、體育運動和防御行業中的例子包括碰撞減震器、頭盔護具和爆炸減輕鞋墊。根據不同的應用，需要能量吸收材料具有不同的性能特征。損傷標準或損傷閥值σ th確定了可接受的、穿過能量吸收材料的最大應力σ &，B卩，為防止損傷應當使σ tr< σ th。對于直接與人體接觸的能量吸收材料，上述能量損傷標準基本上近似于IMPa。
[0007]多孔材料多用做能量吸收材料，因為他們可以吸收壓縮能量。一次性的能量吸收材料可以為金屬材料，包括閉合或開孔泡沫和壓碎蜂窩；具有可逆性的多用途能量吸收材料為典型的聚合物，包括閉合或開孔粘彈性泡沫和熱塑性聚氨酯(TPU)雙半球。晶格結構可以由聚合物或金屬材料組成，并且可以由實心或者中空的構件(支柱、晶格)周期性排列
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[0008]圖1是描述能量吸收材料的理想表現的示意圖。在低應力下，應變隨著應力線性變化，達到例如IMPa的應力。在閥值應力處，材料應變在大體上恒定的應力下迅速增加，并且該材料吸收能量。最終，當該材料達到稱為密實化的高應變時，應力在此增加。給定材料結構的最大的可能能量吸收量可以計算為峰值應力與100%應變的乘積。
[0009]現實材料通常偏離于上述理想響應，并且具有較低的吸收效率。圖2描述了具有高結構對稱性和內部聯通的晶格或桁架結構的典型表現。在此，達到最高初始應力(在圖2中標記為Max.傳遞應力)后，該應變在較低應力水平時增長，相對于圖1中所示的理想情形，能量吸收中產生損失。一般認為這是由于具有高對稱性和內部連通性的結構中單個點上的屈曲開始將會觸發整個所述結構的屈曲，從而導致瞬間的負載承載能力損失和能量吸收效率降低。在這種情況下，密實化應變被定義為在初始應力值的峰值處應力-應變曲線與水平線相交處的應變。被吸收的能量體積被計算為應力-應變曲線下側、0%應變與密實化應變之間的區域的面積。材料的能量吸收效率被計算為吸收的能量體積與最大可能能量吸收體積的比。
[0010]圖3示出了各種類型的泡沫鋁用作能量吸收材料的典型壓縮應力-應變響應。該材料具有近似平臺的應力-應變曲線，沒有顯示出軟化前初始應力峰值的非理想表現。但是，因為應力以大約30%的增長率增長，使得這種材料具有低密實化應力，從而將能量吸收效率限制為約35%。圖4示出了鋁蜂窩能量吸收材料的壓縮應力-應變響應。這種情況中，該材料顯示出軟化前大的初始應力峰值，從而使得它的能量吸收效率約為34%。圖5示出了雙半球能量吸收材料的壓縮應力-應變響應。初始應力峰值之后，材料顯示出軟化，導致它的能量吸收效率約為47%。
[0011]具有桁架或晶格的某些材料具有厚度方向上的恒定結構參數，S卩，桁架或晶格結構的能量吸收方向。在這些材料中，高結構對稱性和內部構件之間分離的缺乏導致同時屈曲和載荷轉移能力急劇損失，如圖2所示。這種情況使得當與壓緊相關的應力水平降低到峰值以下時該材料的能量吸收效率降低。圖6顯示了沒有增強結構的典型中空金屬微晶格結構的壓縮應力-應變響應。它示出了軟化前的大應力峰值，以及附加應力峰值。能量吸收效率約為15% -30%。
[0012]因此，既需要具有固有結構的微桁架或晶格結構和該結構的低規模效益，還需要提高能量吸收響應。
【發明內容】
[0013]本發明的實施例方面涉及壓縮加載時具有優異能量吸收特性的結構化材料。在多個實施例中，這種材料由在第一表面和第二表面之間互相貫穿的管子構成的微桁架結構形成。對于施加到這兩個表面的壓縮荷載，這些結構的應力-應變響應通過安排一些管子而非全部管子同時延伸到兩個表面、調節該結構中的重復晶胞的層數、布置節點沿著正交于表面的線從對準偏移或者包括多個聯鎖微桁架結構的方式制造。
[0014]根據本發明的一個實施例提供了一種用于防沖擊載荷的系統，所述沖擊載荷由于沖擊和爆炸產生，該系統包括:第一微桁架架構，其中該微桁架架構被構造為在l-20m/s沖擊速度的動態荷載下傳送0.3-7MPa范圍內的近恒定壓力時具有大于50%的體積減小。
[0015]在一個實施例中，第一微桁架架構包括:彼此平行的第一表面和第二表面，該第一表面和第二表面之間具有一定距離，從而限定了該微桁架架構的厚度；沿多個非垂直方向延伸的多個成角度的支柱，該多個成角度的支柱中的每一個都具有在第一表面上的第一端部、和第二端部；多個節點，沿多個方向延伸的多個成角度的支柱在該多個節點處互相貫通；該多個成角度的支柱和多個節點限定多個晶胞，每個晶胞具有設置在多個節點之間的上節點、設置在多個節點之間的下節點、和晶胞高度，該晶胞高度為上節點和下節點之間的距離，其中每個成角度的支柱的第二端部位于距離第二表面最近但與該第二表面仍有一定距離的下節點上；和以法線方向從第一表面延伸至第二表面上的立柱，該立柱具有位于第一表面上的第一端部和穿過與第二表面距離最近的下節點延伸至第二表面的第二端部。
[0016]在一個實施例中，第一表面和第二表面之間只有一層晶胞。
[0017]在一個實施例中，第一表面和第二表面之間至少有兩層晶胞。
[0018]在一個實施例中，第一微桁架架構包括:第一表面和第二表面，該第一表面和第二表面彼此平行且該第一表面和第二表面之間具有一定距離，從而限定該微桁架架構的厚度；沿多個非垂直方向延伸的多個成角度的支柱，每個成角度的支柱具有在第一表面上的第一端部、和第二端部；多個節點，沿多個方向延伸的多個成角度的支柱在該多個節點處互相貫通；該多個成角度的支柱和多個節點限定多個晶胞，每個晶胞具有在多個節點之間的上節點、在多個節點之間的下節點、和晶胞高度，晶胞高度為上節點和下節點之間的距離，其中多個成角度的支柱中的每一個的第二端部經過最靠近第二表面的下節點延伸至第二表面上；和在法線方向上從第一表面延伸的立柱，該立柱具有在第一表面上的第一端部和設置在與第二表面距離最近但與第二表面仍有一定距離的下節點上的第二端部。
[0019]在一個實施例中，第一微桁架架構包括:第一表面和第二表面，該第一表面和第二表面彼此平行且該第一表面和第二表面之間具有一定距離，從而限定該微桁架架構的厚度；沿多個非垂直方向延伸的多個成角度的支柱，每個成角度的支柱具有在第一表面上的