[发明专利]拓扑优化的高界面填充结构

说明书

本公开提供了包括空隙体积至少为40％的层压材料的制品，所述层压材料具有晶格结构，所述晶格结构包括多个相互连接的支柱，所述支柱形成向三个维度或两者个维度延伸的一系列多面体，其中层压材料具有至少2.0界面/微米(μm)的界面密度。本公开还描述了形成所述制品的方法。

背景

技术领域

本发明总体涉及包含多孔结构的高界面填充材料的制品及其制备方法。

背景技术

自然界提供了许多实例，在层状结构中加入不同的材料，以生产比相同材料的混合物更硬更坚韧的复合材料。研究人员已经报道了通过在层状结构中配置陶瓷和聚合物基体来成功模拟自然界的增韧机制。所得材料的韧性是其组分韧性的300多倍(以能量计)。。

数千年来，自然对高效结构材料的进化产生了人类已知的最轻、最坚韧和最坚硬的材料。这些材料已经进化到能够使物种移动、受保护和生存。自然进化的结构中有重量轻但结实的骨头(图1B；参见，例如，MacRae,A.,Fossil Dinosaur Bone Microstructure,University ofCalgary atAlberta(恐龙骨骼显微结构化石，阿尔伯塔卡尔加里大学))、坚硬的巨嘴鸟喙(图1A；参见，例如，Meyers,M.Engineers Discover Why Toucan Beaks areModels of Lightweight Strength,UCSD School ofEngineering Newsletter,2005(工程师发现为什么巨嘴鸟是轻量级力量的模范，加州大学圣迭哥分校工程学院通信，2005))，以及牡蛎和其它海洋生物坚硬而坚韧的外壳(图1C；参见，例如，R.Z.Wang,et al.,Deformation Mechanisms inNacre,Journal ofMaterials Research(珍珠层的变形机制，材料研究杂志),16(9)2485-93(2001))。这些天然材料展现了优雅的材料特性组合，这些特性在人造材料中通常是互斥的，迄今为止一直是材料工程师所回避的。本领域仍然需要具有高强度、韧性和/或硬度以及低密度和/或重量的改进层压材料。本公开提供了这一优点和其它相关优点。

发明内容

本公开描述了改进的材料和方法，其利用多标量、拓扑优化和层压来递送高界面填充(HIP)材料，例如工程结构材料(ESM)，这种材料和方法克服了在均质散装材料中遇到的传统材料-性能无法平衡的问题。在通过本文所述方法制成的结构材料中，有拓扑优化的轻质和超高性能结构材料，其通过结合具有高界面填充(HIP)的可定制纳米层压结构(参见，例如，图2A中的SEM)而制成，所述HIP结构可以使用包括电沉积过程在内的室温过程来制备。

电沉积通过在各种导电材料上形成层压材料，提供了一种在层压结构中连接不同材料的低成本方法，所述层压材料包括金属、合金、导电聚合物或通过施加导电涂层而导电的聚合物。这种层压材料可以被定制以生产具有结构性能的材料，所述结构性能具有独特和所需的性能属性，例如与未涂覆的工件相比，具有更低密度的和更高的屈服强度韧性。

本公开的实施方案提供了用于在三维(3D)结构上生产包括HIP材料的复合结构的方法。还有的实施方案通过控制材料的拓扑(密度级配)和界面密度(层压)对材料特性和性能进行精确控制。本公开还描述了多标量性能模型的开发，所述多标量性能模型能够在纳米到毫米长度的尺度上可靠地建模架构控制参数。

本公开描述了一种性能模型，所述性能模型可以与生产模型耦合，以证明确定导致最佳性能的结构参数和电化学过程参数的可行性，所述电化学过程参数使得能够进行产生目标微结构特征所需的微结构和纳米结构控制。此外，本公开描述了将硬度和韧性的相互依赖性解耦以制造呈现高模量(刚度)和低密度的有利组合的材料。