[实用新型]一种仿生轻质高强耐热冲击复合结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及仿生结构工程技术领域，具体涉及一种仿枪虾螯部断层结构的轻质高强耐热冲击复合结构。

背景技术

近年来，随着深空、深海、深地等极端环境探测领域的快速发展，高端设备中的关键部件，如发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等，迫切需求该类部件兼具轻质、高强特征且耐热冲击、抵抗断裂破坏等性能，这也已成为国内外学者广泛关注的研究热点。但是，目前应用在该领域的相关关键部件多数仅具有轻质高强特性而普遍存在耐热冲击性能差的缺陷，由此已经成为此类装备发展的瓶颈。

而自然界的生物为这一问题的解决提供了新思路。生活在海洋中的枪虾，可以通过快速闭合螯部，产生空化气泡将猎物瞬间击晕或击毙。研究表明，当枪虾瞬间快速闭合螯部发动攻击时，会冲击周边的水体产生气泡。这些气泡在周围水体的压力下距离螯部尖端约3mm处发生瞬间爆裂，产生空穴现象，进而产生4500-4700℃的高温。螯部在水中的快速闭合运动要求其具备轻质和高强的特性，而空穴现象产生的瞬间高温则要求螯部具有耐热冲击的功能。由此，枪虾螯部的生物结构为设计一种兼具轻质高强耐热冲击功能特征的仿生复合结构提供了天然的生物蓝本。

试验观察发现，枪虾螯部断层大致可分为四层，从外到内分别是最外层的矿化层，第二层的竖向片层复合结构，第三层螺旋夹板层，第四层的横向层状结构。这四层结构不同，厚度各异，功能也不同。作为直接接触外部环境的最外部的硬质矿化层具有抵抗外部机械冲击，保护内部结构的作用；第二层由大量竖向纤维片层组成，片层间构成空腔，这种结构不仅显著减轻了整体重量，还使其具备了较强的抗压性能，同时还有效阻隔热量的传递。第三层为螺旋夹板层，由若干个纤维束单元交错堆砌而成，这种交错堆砌结构有效造成裂纹偏转进而阻断裂纹的扩展，提高了止裂性能。第四层为多薄层叠加而形成的横向复合层状结构，层层叠加使第四层整体具备了足够的竖向刚度。因此，枪虾螯部这种优化的断层结构为其适应于快速闭合运动、承受机械冲击与热冲击的捕食运动模式提供了有效保障。

综观上述极端工作环境下结构构件的研究现状，以及枪虾螯部断层的特殊生物结构功能特征，急需一种仿生轻质高强耐热冲击的复合结构。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决当今工作在极端环境下的设备，其相关关键部件多数仅具有轻质高强特性而普遍存在耐热冲击性能差的缺陷，而提供一种仿生轻质高强耐热冲击复合结构。

本实用新型包含外部保护层、竖向仿生隔热抗压层、仿生止裂层、横向仿生支撑层。外部保护层、竖向仿生隔热抗压层、仿生止裂层、横向仿生支撑层依次粘合在一起，并且外部保护层、竖向仿生隔热抗压层、仿生止裂层、横向仿生支撑层的厚度比为1:6:6:1。

所述的外部保护层为致密的整体结构，能够有效保护各层结构，同时起到防水作用。

所述的竖向仿生隔热抗压层由若干个竖向仿生栅格层叠加粘合而成，竖向仿生栅格层这种多空腔的栅格结构，具有很强的抗压性能，同时可以有效阻隔环境热量。由于空腔结构的存在，使竖向仿生栅格层质量较轻。这里，竖向仿生栅格层的宽度与相邻空腔的宽度比例为1：1，竖向仿生栅格层的长度和竖向仿生栅格层的宽度比为2：1。

所述的仿生止裂层由若干个仿生止裂层构成单元逐层排列粘合而成，仿生止裂层中的每一层均由仿生止裂层构成单元依次排列构成，并且仿生止裂层中的每一层中的仿生止裂层构成单元排列方式相同，并相对于下面一层中的仿生止裂层构成单元在法线方向旋转了一定角度，这里，旋转的角度范围为15°-45°。这种单个单元的交错堆砌结构可以有效的阻止整体结构的断裂。

所述的横向仿生支撑层由若干个横向仿生支撑层单元逐层粘合而成，横向仿生支撑层单元由质量轻、刚度大的碳纤维复合材料制作，多个横向仿生支撑层单元叠加在一起，使横向仿生支撑层拥有良好的支撑性能，使整个复合结构的力学性能更加完善。

本实用新型的工作过程和原理：