[发明专利]一种在增材制造中增强五模超材料两相材料结合力的方法

说明书

本发明属于五模超材料领域，并公开了一种在増材制造中增强五模超材料两相材料结合力的方法。该方法包括：(a)调整五模超材料六边形微单元的尺寸和壁厚，使得所述蜂窝状结构的实际密度和模量参数趋近于设定值，以此获得六边形微单元新的尺寸和壁厚；(b)在每个六边形微单元相邻边的薄壁连接处，金属相与非金属相的交界面设置卡槽；(c)通过使能带曲线中本征频率的压缩波波速和剪切波波速等于预设值，计算卡槽的尺寸；(d)建立五模超材料的三维结构模型，采用增材制造成形获得所需的五模超材料零件。通过本发明，提高五模超材料金属相与非金属相界面处的结构稳定性，提高其力学性能构件，为增材制造多相超材料的实际应用提供策略。

技术领域

本发明属于五模超材料领域，更具体地，涉及一种在增材制造中增强五模超材料两相材料结合力的方法。

背景技术

增材制造技术俗称3D打印，通过软件设计与控制系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除-切削、组装的减材或等材模式不同，增材制造是一种自下而上通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。

五模超材料是21世纪以来出现的一类新材料，具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。几乎没有形变，类似于理想流体，难以压缩却极易流动，且其特征之一为整体密度等于水或理想流体的密度大小。当声波传播至五模超材料构件时，其传播路径不发生改变，从而达到控制声波的效果，具体可以通过设计具有较大体积模量与剪切模量之比(B/G)的点阵结构来实现。

由于单相介质五模超材料受制于材料属性单一的限制，难以发挥其波动控制的效果，在声波的低频段宽频适应性差等缺点，提出了两相介质五模超材料结构设计的设想，即是将第二相非金属材料添加到金属基五模超材料结构中去，利用非金属材料轻质的特点来平衡五模超材料的整体密度，同时均匀化五模超材料的各部分设计尺寸使其便于增材制造加工；但是一方面两相五模超材料点阵结构的微单胞金属与非金属材料界面处存在稳定性差、易收到波动能量的干扰而出现第二相介质滑落、松垮的现象导致声学效果控制不理想、综合力学性能表现差的缺陷；另一方面若单纯的添加第三相材料来稳定整个五模超材料结构不符合均匀化设计理论的计算结果，两相设计问题变成了多相五模超材料设计，增大了设计的复杂度和增材制造难度。在此基础上，提出将五模超材料中金属与非金属的界面设计成具有一定稳定性的微结构周期性卡槽，将界面的结合力大小代入到五模超材料结构设计中，整体设计出稳定性好、性能高的五模超材料点阵结构。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种在增材制造中增强五模超材料两相材料结合力的方法，该方法通过均匀化理论在五模超材料金属与非金属的交界界面设计卡槽，在界面处设计微结构周期性卡槽来增大不同材料之间的接触面积，从而能大幅度提高五模超材料中两相材料界面的稳定结合能力和五模超材料整体的力学性能。

为实现上述目的，按照本发明的，提供了一种在增材制造中增强五模超材料两相材料结合力的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)对于由多个周期或非周期性排列的六边形微单元组合成的蜂窝状结构的待处理五模超材料，获取该五模超材料中六边形微单元的边长和壁厚，然后设定该五模超材料的密度和模数参数值，调整所述六边形微单元的尺寸和壁厚，使得所述蜂窝状结构的实际密度和模量参数趋近于所述设定值，以此获得所述六边形微单元新的尺寸和壁厚；

(b)在每个所述六边形微单元相邻边的薄壁连接处，金属相与非金属相的交界面设置卡槽，该卡槽的开口方向朝向所述六边形微单元的中心，同时，所有所述薄壁连接处的卡槽关于所述六边形微单元的中心对称；

(c)对所述卡槽的尺寸赋予初始值，根据该初始值计算所述蜂窝状结构的能带曲线，调整所述尺寸的初始值使得所述能量曲线中本征频率的压缩波波速和剪切波波速等于预设值，以此获得的尺寸值为所述卡槽的尺寸；