[发明专利]一种半开孔板格超材料及其增材制造方法

说明书

本发明公开了一种半开孔板格超材料及其增材制造方法，属于超材料相关技术领域，其中所述半开孔板格超材料为面心立方(FCC)结构，其由周期性单胞组合而成，所述单胞的尺寸可按需求进行调节；每个所述单胞结构由八个相同的空心正四面体按一定规律组合而成，每个所述正四面体由四块薄板围成，所述薄板的厚度可按需求进行调节；在每个正四面体的顶点处进行开孔处理，形成半开孔结构，孔径大小可按需求进行调节。本发明不仅提高了设计自由度，还克服了激光粉末床熔融、光固化等增材制造技术成形时面临的工艺约束难题，从而可以更加灵活地调控板格超材料的结构参数，并利用激光粉末床熔融、光固化等增材制造工艺进行成形。

技术领域

本发明属于超材料相关技术领域，更具体地，涉及一种半开孔板格超材料及其增材制造方法。

背景技术

力学超材料(Mechanical Metamaterials，MMs)是指通过对构建微结构单元进行巧妙的设计而使其具备超常规或反常规力学性能的新型材料，具有超轻、超强、超高吸能特性的力学超材料可在诸多领域发挥重要作用。但是，由于力学超材料通常具有极其复杂的微观结构，传统的材料加工工艺无法实现其一体化成形，严重限制了其应用和推广。

增材制造(Additive Manufacturing，AM)作为一种近年来新兴的制造技术，其基于离散-堆积原理，由构件的三维数据驱动，对构件进行一体化成形，从而实现具有复杂微结构构件的快速制造。激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)是金属增材制造的一种主要技术途径，以高能束激光作为能量源，按照切片模型中的规划路径对金属粉末床进行逐层扫描，通过金属粉末材料逐点、逐层的熔化和凝固过程达到成形金属构件的目的。激光选区熔化技术突破了传统制造技术无法成形具有复杂微结构的金属构件的限制，可以直接成形出近乎全致密且力学性能良好的金属构件，可解决一体化成形力学超材料的问题。

相对于传统轻质材料(蜂窝结构、泡沫结构等)和桁架点阵结构超材料，板格超材料(Plate Lattice Metamaterials，PLMs)拥有更好的力学性能，其比强度和比刚度接近各向同性材料的理论上限(Hashin-Shtrikman上限)，且拥有更高的比吸能(Specific EnergyAbsorption，SEA)。但是，采用SLM工艺成形时面临着诸多工艺约束问题。例如，板格结构中存在大量的密闭腔体，采用SLM工艺成形时，腔体内部的金属粉末难以清除，需要对结构进行开孔设计。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了种半开孔板格超材料及其增材制造方法，其目的在于将半开孔板格超材料被设计为面心立方(FCC)点阵结构，其由多个单胞结构组合而成，每个单胞由八个空心正四面体结构按规律组合而成，每个四面体分别在其顶点处引入球形孔洞。相比于闭孔板格超材料，本发明的半开孔板格超材料不仅适用于粉末床熔融等增材制造技术，而且引入了一个新的设计自由度，即可通过调节板厚和孔径来调控结构的体积分数、力学和物理性能，从而获得具有不同性能和功能的超材料结构。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种半开孔板格超材料，所述半开孔板格超材料为多个单胞结构组成的面心立方结构；

所述单胞结构包括顶面以单胞结构中心为原点十字交叉对称设置的四个第一正四面体，以及底面由所述四个第一正四面体以x-y平面为基准面对称设置的四个第二正四面体；

所述第一正四面体和所述第二正四面体相同且均为空心结构；

所述第一正四面体和第二正四面体均由四块板合围而成，且在正四面体的顶点处设有球形孔洞。

优选地，多个单胞结构沿坐标轴方向以阵列形成所述半开孔板格超材料。

优选地，所述单胞结构为正方体结构。

优选地，所述正四面体的棱长a的长度为

优选地，所述正四面体由四块正三角形板合围而成，其中所述正三角形的边长b的长度为