基于点阵结构的多层级结构

摘要

本申请提出一种基于点阵结构的多层级结构，所述基于点阵结构的多层级结构包括：多块板组件，所述多块板组件固定连接在一起形成所述基于点阵结构的多层级结构；所述板组件由多个一级胞元按照点阵排列形成，所述一级胞元形成为具有孔隙的块状，所述孔隙贯穿所述一级胞元，使所述板组件具有孔隙。通过采用上述技术方案，将一级胞元按照点阵结构排列形成板状进而形成多层级结构，使其在较低的相对密度下具有较好的力学性能。

权利要求

1.一种基于点阵结构的多层级结构，其特征在于，所述基于点阵结构的多层级结构包括：

多块板组件(1)，所述多块板组件(1)固定连接在一起形成所述基于点阵结构的多层级结构；

所述板组件(1)由多个一级胞元(2)按照点阵排列形成，所述一级胞元(2)形成为具有孔隙的块状，所述孔隙贯穿所述一级胞元(2)，使所述板组件(1)具有孔隙；

所述板组件(1)包括第一板组件(11)，所述第一板组件(11)形成为矩形的板状，所述第一板组件(11)设置有三块，三块所述第一板组件(11)中的任意一块与另外两块都垂直，使三块所述第一板组件(11)分隔出八个区域；

所述板组件(1)还包括第二板组件(12)，所述第二板组件(12)形成为三角形的板状，所述第二板组件(12)设置有32块，所述第二板组件(12)连接形成8个四面体，8个所述四面体分别位于上述八个区域内，所述四面体的各角部连接于所述第一板组件(11)的交点或所述第一板组件(11)的角部。

2.根据权利要求1所述的基于点阵结构的多层级结构，其特征在于，所述第一板组件(11)和所述第二板组件(12)的厚度比为

3.根据权利要求1所述的基于点阵结构的多层级结构，其特征在于，在所述板组件(1)的相交位置所述板组件(1)为实心结构。

4.根据权利要求1所述的基于点阵结构的多层级结构，其特征在于，所述一级胞元(2)包括第一杆(21)、第二杆(22)和第三杆(23)，所述第一杆(21)设置有12根，12根所述第一杆(21)连接形成长方体或立方体框架，所述第一杆(21)是所述框架的棱边；

所述第二杆(22)设置有8根，8根所述第二杆(22)从所述框架的顶点向所述框架的中心延伸并且连接在一起；

所述第三杆(23)设置有6根，所述第三杆(23)从所述框架的中心向所述框架的各个面的中心延伸。

5.根据权利要求4所述的基于点阵结构的多层级结构，其特征在于，所述第一杆(21)和所述第三杆(23)的直径相同，所述第一杆(21)和所述第二杆(22)的直径比为

6.根据权利要求1所述的基于点阵结构的多层级结构，其特征在于，所述一级胞元(2)形成为极小曲面的施瓦茨P结构，所述施瓦茨P结构的方程式为：cos(x)+cos(y)+cos(z)‑C＝0；其中C为常数。

7.根据权利要求1所述的基于点阵结构的多层级结构，其特征在于，所述基于点阵结构的多层级结构和所述一级胞元(2)的结构不同。

8.根据权利要求1所述的基于点阵结构的多层级结构，其特征在于，所述基于点阵结构的多层级结构通过增材制造形成。

说明书

基于点阵结构的多层级结构

技术领域

[0001] 本申请属于材料领域，特别涉及一种基于点阵结构的多层级结构。

背景技术

[0002] 点阵结构是由单一胞元在三维空间中周期排布所得到的多孔结构，相比于泡沫等无序排列的多孔材料，有序排列的点阵结构在具有低密度的同时表现出更优异的力学性
能，具有较高的比刚度、比强度等。点阵结构排列的材料能够满足材料轻量化的要求，在航
空航天等领域有广泛的应用。

[0003] 多层级结构在生物材料中普遍存在，如贝壳的珍珠母层、人体的骨骼等，研究表明这些生物材料优异的力学性能与其多层级的结构密切相关。

发明内容

[0004] 本申请旨在提出一种轻量化的材料，其具有优异的力学性能。

[0005] 本申请提出一种基于点阵结构的多层级结构，所述基于点阵结构的多层级结构包括：

[0006] 多块板组件，所述多块板组件固定连接在一起形成所述基于点阵结构的多层级结构；

[0007] 所述板组件由多个一级胞元按照点阵排列形成，所述一级胞元形成为具有孔隙的块状，所述孔隙贯穿所述一级胞元，使所述板组件具有孔隙。

[0008] 优选地，所述板组件包括第一板组件，所述第一板组件形成为矩形的板状，所述第一板组件设置有三块，三块所述第一板组件中的任意一块与另外两块都垂直，使三块所述
第一板组件分隔出八个区域。

[0009] 优选地，所述板组件还包括第二板组件，所述第二板组件形成为三角形的板状，所述第二板组件设置有32块，所述第二板组件连接形成8个四面体，8个所述四面体分别位于
上述八个区域内，所述四面体的各角部连接于所述第一板组件的交点或所述第一板组件的
角部。

[0010] 优选地，所述第一板组件和所述第二板组件的厚度比为

[0011] 优选地，在所述板组件的相交位置所述板组件为实心结构。

[0012] 优选地，所述一级胞元包括第一杆、第二杆和第三杆，

[0013] 所述第一杆设置有12根，12根所述第一杆连接形成长方体或立方体框架，所述第一杆是所述框架的棱边；

[0014] 所述第二杆设置有8根，8根所述第二杆从所述框架的顶点向所述框架的中心延伸并且连接在一起；

[0015] 所述第三杆设置有6根，所述第三杆从所述框架的中心向所述框架的各个面的中心延伸。

[0016] 优选地，所述第一杆和所述第三杆的直径相同，所述第一杆和所述第二杆的直径比为2：

[0017] 优选地，所述一级胞元形成为极小曲面的施瓦茨P结构。

[0018] 优选地，所述基于点阵结构的多层级结构和所述一级胞元的结构不同。

[0019] 优选地，所述基于点阵结构的多层级结构通过增材制造形成。

[0020] 通过采用上述技术方案，将一级胞元按照点阵结构排列形成板状进而形成多层级结构，使其在较低的相对密度下具有较好的力学性能。

附图说明

[0021] 图1示出了根据本申请的第一实施方式的基于点阵结构的多层级结构的结构示意图。

[0022] 图2示出了根据本申请的第一实施方式的基于点阵结构的多层级结构的第一板组件的结构示意图。

[0023] 图3示出了根据本申请的第一实施方式的基于点阵结构的多层级结构的第二板组件的结构示意图。

[0024] 图4示出了根据本申请的第一实施方式的基于点阵结构的多层级结构的一级胞元的结构示意图。

[0025] 图5示出了根据本申请的第一实施方式的基于点阵结构的多层级结构的二级胞元的结构示意图。

[0026] 图6示出了一种现有技术的杆状胞元的结构示意图。

[0027] 图7示出了根据本申请的第一实施方式的基于点阵结构的多层级结构与现有技术的杆状胞元的相对杨氏模量的对比图。

[0028] 图8示出了根据本申请的第一实施方式的基于点阵结构的多层级结构与现有技术的杆状胞元的各向异性度的对比图。

[0029] 图9示出了根据本申请的第二实施方式的基于点阵结构的多层级结构的结构示意图。

[0030] 图10示出了根据本申请的第二实施方式的基于点阵结构的多层级结构的一级胞元的结构示意图。

[0031] 附图标记说明

[0032] 1板组件 11第一板组件 12第二板组件

[0033] 2一级胞元 21第一杆 22第二杆 23第三杆

[0034] 100杆 200正八面体 300正四面体。

具体实施方式

[0035] 为了更加清楚地阐述本申请的上述目的、特征和优点，在该部分结合附图详细说明本申请的具体实施方式。除了在本部分描述的各个实施方式以外，本申请还能够通过其
他不同的方式来实施，在不违背本申请精神的情况下，本领域技术人员可以做相应的改进、
变形和替换，因此本申请不受该部分公开的具体实施例的限制。本申请的保护范围应以权
利要求为准。

[0036] (第一实施方式)

[0037] 如图1至图8所示，本申请提出一种基于点阵结构的多层级结构，其包括多块板组件1，多块板组件1固定连接在一起形成基于点阵结构的多层级结构。

[0038] 如图1至图3和图5所示，板组件1包括第一板组件11和第二板组件12，第一板组件11形成为矩形的板状，例如正方形板状，第一板组件11设置有三块，三块第一板组件11中的
任意一块与另外两块都保持垂直，这三块第一板组件11可以分隔出八个区域。

[0039] 第二板组件12形成为三角形的板状，例如正三角形的板状，第二板组件12设置有32块，每4块第二板组件12连接形成四面体，例如形成正四面体。32块第二板组件12一共可
以形成8个四面体。8个四面体分别位于上述八个区域内，每个四面体的四个顶点连接于三
块第一板组件11的交点以及第一板组件11的角部。

[0040] 第一板组件11和第二板组件12均由多个一级胞元2按照点阵排列形成。

[0041] 一级胞元2形成为具有孔隙的块状，孔隙贯穿一级胞元2，使第一板组件11和第二板组件12均具有孔隙。

[0042] 进一步地，第一板组件11和第二板组件12的厚度比可以为 使基于点阵结构的多层级结构具有较好的力学性能并能够近似表现出各向同性。

[0043] 如图1至图3所示，两块或多块板组件1的相交位置是实心结构，例如，第一板组件11的对角线和中心线附近、第二板组件12的边缘位置，一级胞元2的孔隙被填充，使板组件1
的相交位置为实心结构。

[0044] 如图4所示，一级胞元2包括第一杆21、第二杆22和第三杆23。第一杆21设置有12根，12根第一杆21连接形成长方体或立方体框架，第一杆21作为框架的棱边。第二杆22设置
有8根，8根第二杆22从框架的顶点向框架的中心延伸并且8根第二杆22在框架的中心处连
接在一起。第三杆23设置有6根，第三杆从框架的中心处向框架的各个面的中心延伸。

[0045] 进一步地，第一杆21和第三杆23的直径可以相同，第一杆21和第二杆22的直径比为2： 可以理解，多个一级胞元2是点阵排列来形成板组件1的，相邻的一级胞元2的
第一杆21是公用的，这样可以使一级胞元2在点阵排列时没有干涉的部分，因此图4中示出
的第一杆21并非是完整的第一杆21，而是第一杆21的例如四分之一的一部分。

[0046] 基于点阵结构的多层级结构可以通过增材制造形成，例如通过3D打印形成。在3D打印过程中，多余的未固化的材料可以通过一级胞元2的孔隙流出，有利于基于点阵结构的
多层级结构制备成型。

[0047] 一级胞元2可以作为点阵排列形成板组件1的基本单元，多个板组件1构成基于点阵结构的多层级结构，这种具有两个层级的多层级结构可以作为二级胞元，二级胞元可以
通过点阵排列形成例如板的点阵结构，进而可以利用这些板连接组成具有三个层级的多层
级结构并作为三级胞元，三级胞元的结构可以与二级胞元相同或不同。当然三级胞元还可
以点阵排列形成具有四个层级的多层级结构，以此类推。二级胞元的结构和一级胞元2的结
构不同。图5示出了一种二级胞元的结构，为了更清晰的展示二级胞元的结构，其板组件用
实心表示。

[0048] 根据实际需要，可以通过调整一级胞元2的尺寸与形成一级胞元2的杆的直径的比值，和/或二级胞元的尺寸与板组件1的厚度的比值来得到不同孔隙率和相对密度的基于点
阵结构的多层级结构。

[0049] 孔隙率和相对密度可以反映结构的密实程度，孔隙率是指块状材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比，相对密度等于1‑孔隙率。

[0050] 可以理解，相比于单层级的结构，基于点阵结构的多层级结构可以实现更低的相对密度。

[0051] 一种现有的杆状胞元，称为Octet杆状胞元，将其与本申请第一实施方式的基于点阵结构的多层级结构进行对比，验证它们的力学性能。

[0052] 如图6所示，该杆状胞元包括36根杆100，其中12根杆形成正八面体200的框架，正八面体200的8个面的各个顶点与另外3根杆连接形成正四面体300，在正八面体200的8个面
上一共形成8个正四面体300。

[0053] 如图7所示，对比上述两种结构在不同相对密度下的杨氏模量。杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量，用来衡量弹性体的刚度。

[0054] 在图7中，横坐标表示相对密度，纵坐标表示结构的杨氏模量与基体材料模量的比值(相对杨氏模量)。方块节点的连线表示第一实施方式的数据，圆圈节点的连线表示现有
技术的杆状胞元的数据。

[0055] 可以看出，在相对密度为0.4和0.5时，本申请的结构的相对杨氏模量大于现有技术的杆状胞元结构的相对杨氏模量。因此本申请的结构可以在较低的相对密度下具有较好
的力学性能，例如较高的比刚度、比强度等。

[0056] 可以理解，由于第一实施方式的结构比较复杂，虽然未提供更低的相对密度下的数值，但是本申请的结构可以在较低的相对密度下具有较好的力学性能的结论不受影响。

[0057] 力学性能表现为各向异性的结构在某一个方向的力学性能较好的同时在其他方向的力学性能可能很低，目前应用比较广泛的点阵结构大多表现为各向异性。相反地，各向
同性表示对各个方向施加载荷时的力学性能相同或相似。在实际工程领域，结构材料可能
会承受来自不同方向的载荷，此时力学性能表现为各向同性的结构会表现出更大的优势。

[0058] 采用齐纳(Zener)各向异性度a来表示结构的各向异性程度，齐纳(Zener)各向异性度a的值等于1表明结构为各向同性。

[0059]

[0060] 其中， 表示结构的等效杨氏模量；

[0061] 表示等效剪切模量；

[0062] 表示等效泊松比。

[0063] 在图8中，横坐标表示相对密度，纵坐标表示结构的齐纳(Zener)各向异性度a。方块节点的连线表示第一实施方式的数据，圆圈节点的连线表示现有技术的杆状胞元的数
据。

[0064] 经过有限元分析，第一实施方式的结构在相对密度为0.4、0.5和0.6时，a值接近1，表现为各向同性，现有技术的杆状胞元则表现为各向异性。本申请的结构可以在较低的相
对密度下具有较好的力学性能，并且表现为各向同性，能够较好地承受来自不同方向的载
荷。

[0065] 虽使用上述实施方式对本申请进行了详细说明，还有以下几点需要说明。

[0066] (1)虽然在上述实施方式中，第一板组件11和第二板组件12在厚度方向仅阵列了一个一级胞元2，但是本申请不限于此，第一板组件和第二板组件在厚度方向上可以由多个
一级胞元阵列形成。

[0067] (2)虽然在上述实施方式中，作为二级胞元的基于点阵结构的多层级结构包括第一板组件11和第二板组件12，但是本申请不限于此，基于点阵结构的多层级结构也可以仅
包括三块第一板组件，三块第一板组件中的任意一块与另外两块都垂直，使三块第一板组
件分隔出八个区域。当然二级胞元也可以由其他不同厚度的板组件按照其他不同的空间分
布方式组成。

[0068] (第二实施方式)

[0069] 如图9和图10所示，本申请提出一种基于点阵结构的多层级结构，其包括多块板组件1，多块板组件1固定连接在一起形成基于点阵结构的多层级结构。

[0070] 板组件1包括第一板组件11和第二板组件12，第一板组件11和第二板组件12均由多个一级胞元2按照点阵排列形成。

[0071] 如图10所示，一级胞元2可以为极小曲面单元，极小曲面是指每一点上的平均曲率都是0的曲面，例如一级胞元2形成为极小曲面的施瓦茨P(Schwarz P)结构。

[0072] 施瓦茨P(Schwarz P)结构可以用如下方程近似：

[0073] cos(x)+cos(y)+cos(z)‑C＝0；其中C为常数。

[0074] 可以理解，极小曲面结构可以避免杆作为基本单元形成点阵结构的一级胞元2在节点处出现应力集中，因此极小曲面结构的一级胞元2可以具有较好的力学性能。

[0075] 虽使用上述实施方式对本申请进行了详细说明，但对于本领域技术人员来说，本申请显然并不限定于在本说明书中说明的实施方式。本申请能够在不脱离由权利要求书所
确定的本申请的主旨以及范围的前提下加以修改并作为变更实施方式加以实施。因此，本
说明书中的记载以示例说明为目的，对于本申请并不具有任何限制性的含义。