[发明专利]一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料及其制作方法

说明书

本发明涉及一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料及其制作方法，其中，该超材料包括多个呈阵列排布的单层机械超材料，相邻两单层机械超材料镜像设置并通过硬质隔板固定连接；其中，单层机械超材料包括沿长度方向并排设置有多个独立的卡扣槽的基体，相邻两卡扣槽之间在基体上形成柔性的连接梁；卡扣槽包括相互之间配合并相隔固定距离的卡扣和卡槽；单层机械超材料采用柔性弹性体制造而成；单层机械超材料包括卡扣与卡槽分离的第一稳定状态和卡扣与卡槽结合的第二稳定状态；当外界施加的载荷达到机械能吸收的最大值时，单层机械超材料能够从第一稳定状态切换到第二稳定状态；当再施加相反方向的载荷时单层机械超材料能恢复到第一稳定状态。

技术领域

本发明属于机械能吸收领域，尤其涉及一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料及其制作方法。

背景技术

在工程事故中，常用的防撞击方法都是通过金属、塑料、陶瓷等材料的破坏性形变来吸收机械能，从而减少事故造成的损失，保护当事人或精密仪器的安全，例如汽车保险杠、高速公路上经常使用到的防撞护栏等。然而，这些方法都不具备可重复利用性，而且这些机械能吸收结构一旦制作好之后，它们所具备的机械能吸收性能就已经固定，不具备可调性，从而限制了它们的应用领域，工程使用成本较大。尤其是在事故频发的场合，需要经常更换坏掉的防撞组件，不仅造成很大浪费，而且操作复杂，耗时耗力。因此，设计出一种可重复利用、性能可调、操作便捷、制作成本低的新型防撞吸能结构材料迫在眉睫。

机械超材料是一种人造结构材料，具有周期性的单元，这些单元结构的尺寸是特殊设计的，从而获得自然界材料通常不具备的奇异力学性能，如负泊松比、负热膨胀、单向传播特性、非线性机械特性等。这些奇异的力学性能是来自其结构的特征，而不是组成它的材料本身。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料及其制作方法，采用由柔性弹性体材料制作而成的卡扣和卡槽结构构成机械超材料，得到的机械能吸收超材料具有力学性能可调、易于制备、造价低、可重复利用等优点。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料，其特征在于，该超材料包括多个呈阵列排布的单层机械超材料，相邻两所述单层机械超材料镜像设置并通过硬质隔板固定连接；其中，所述单层机械超材料包括基体，所述基体上沿其长度方向并排设置多个独立的卡扣槽，相邻两所述卡扣槽之间在所述基体上形成柔性的连接梁；所述卡扣槽包括卡扣和卡槽，且所述卡扣和卡槽之间相互配合并相隔固定的距离；所述单层机械超材料采用柔性弹性体制造而成；所述单层机械超材料包括所述卡扣与所述卡槽分离的第一稳定状态和所述卡扣与所述卡槽结合的第二稳定状态；当外界施加的载荷达到机械能吸收的最大值时，所述单层机械超材料能够从所述第一稳定状态切换到所述第二稳定状态；当载荷撤去后，所述单层机械超材料依然保持所述第二稳定状态；当再施加相反方向的载荷时所述单层机械超材料能恢复到所述第一稳定状态。

所述单层机械超材料能够吸收的机械能由所述卡扣和卡槽之间的开口宽度比例、进出角度和摩擦系数决定。

所述柔性弹性体由本体和交联剂两种组分构成；所述本体与交联剂的配比中，所述交联剂的比例越大，固化后得到的所述柔性弹性体的弹性模量越大。

通过表面润滑处理能够对所述卡扣和卡槽之间的摩擦系数进行调节。

一种基于卡扣结构的机械能吸收超材料的制作方法，包括以下步骤：

1)根据单层机械超材料需要吸收的机械能量级，对单层机械超材料的尺寸参数进行设计，包括卡扣和卡槽的开口宽度比例和进出角度；然后反推出单层机械超材料模具的结构；

2)根据步骤1)确定的单层机械超材料模具的结构，制备单层机械超材料模具；

3)根据单层机械超材料需要的弹性模量确定柔性弹性体的本体与交联剂的配比比例，然后将组成柔性弹性体的组分按照确定的比例搅拌均匀，倒入单层机械超材料模具中，然后烘干固化；