[发明专利]连续纤维增强复合材料多层级轻质结构、设计及制造方法

说明书

连续纤维增强复合材料多层级轻质结构、设计及制造方法，包括具有方形几何图形的田字晶格胞元，由横梁与纵梁组成；胞元内部填充角度为±45的双对角线，其中每一组双对角线都关于它们之间横纵梁交点连线对称平行；双对角线以周期性平行分布，周期长度为沿横纵梁方向的胞元边长，且周期根据胞元数目选定；胞元结构为中心对称的图形，其中对角单元格中的结构形式相同，分别形成角度为±45双对角线互相交叉状结构，和由4条长度相等的横纵梁与单元格4角形成三角形，整体呈现八角蜂窝结构；通过几何参数调控结构分布，以及性能调控，实现连续纤维增强复合材料多层级轻质结构的一体化制造，多层级轻质结构具有更好的抗压缩、抗冲击性能力。

技术领域

本发明涉及连续纤维增强复合材料技术领域，具体涉及连续纤维增强复合材料多层级轻质结构、设计及制造方法。

背景技术

自然界许多生物体中存在着纤维复合材料结构，经过亿万年的自然进化，获得具有自适应局部纤维含量和纤维方向的多层级复合材料结构。多层级结构一般具有宏微尺度的不同结构形式，生物如深海玻璃海绵，其宏观结构呈现螺柱状，其二维展开形成具有双对角线(斜梁)的方形晶格结构，且对角线与横纵骨架形成特定夹角；微观结构中每一条骨架都具有骨芯，且其表面形成周向和轴向的包络层。由于宏微尺度的协调作用，玻璃海绵长期承受深海静压和波动却可以维持结构稳定性，说明此类多层级结构具有优异的机械鲁棒性，同时也为连续纤维增强复合材料多层级轻质结构设计带来巨大启发。

多层级轻质结构由于其具有宏微尺度的结构特性，相比于单一结构，可以通过改变力传递方向，使得整体结构在受到压缩与冲击载荷时能吸收破坏能量，以此提升结构力学性能。而传统连续纤维复合材料轻质结构的制造工艺主要以热压成型、铺放成型等制造简单形状的结构，无法成形具有优异特性的多层级轻质结构；利用水射流、机加工、装配等工艺制备复杂连续纤维复合材料结构，但此类工艺无法保证连续纤维的连续性，使得结构性能大大减小。如何将连续纤维增强复合材料特性与多层级轻质结构优势结合是目前工艺所面临的巨大困难。

随着连续纤维复合材料3D打印技术的发展，使得制造复杂连续纤维复合材料轻质结构成为可能。中国专利《一种连续长纤维增强复合材料3D打印机及其打印方法》,专利号ZL201410325650.3，解决了纤维取向问题；中国专利《3D打印连续纤维增强复合材料的树脂含量自适应控制方法》，专利号ZL201810681041.X,利用离散点信息控制任意位置纤维含量；中国专利《一种连续纤维增强复合材料轻质结构的制造方法》，专利号ZL201710236473.5,利用模型轮廓提取结构信息进行制造，以上专利为实现连续纤维增强复合材料多层级轻质结构提供可能。

目前，上述专利对于连续纤维增强复合材料多层级轻质结构与3D打印依然存在以下不足：尚未形成基于生物结构的多层级轻质结构设计方法；尚未形成基于连续纤维复合材料3D打印工艺的多层级轻质结构的制造方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供连续纤维增强复合材料多层级轻质结构、设计及制造方法，通过几何参数调控结构分布，以及性能调控，实现连续纤维增强复合材料多层级轻质结构的一体化制造，多层级轻质结构具有更好的抗压缩、抗冲击性能力。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案包括：

连续纤维增强复合材料多层级轻质结构，包括具有方形几何图形的田字晶格胞元，由横梁与纵梁组成；胞元内部填充角度为±45的双对角线(斜梁)，其中每一组双对角线(斜梁)都关于它们之间横纵梁交点连线对称平行；双对角线(斜梁)以周期性平行分布，周期长度为沿横纵梁方向的胞元边长，且周期根据胞元数目选定；胞元结构为中心对称的图形，其中对角单元格中的结构形式相同，分别形成角度为±45双对角线(斜梁)互相交叉状结构，和由4条长度相等的横纵梁(短梁)与单元格4角形成三角形，整体呈现八角蜂窝结构。

所述的连续纤维增强复合材料多层级轻质结构的设计方法，包括以下步骤：