一种用于实现可控应力应变率加载的梯度结构及制备方法

本发明涉及增材制造制备，尤其涉及一种用于实现可控应力应变率加载的梯度结构及制备方法。

背景技术：

1、服役于国防安全和高端制造等领域中的材料常面临高应力及宽应变率载荷条件，准确了解材料在服役环境下的响应行为对提升材料服役可靠性和安全性至关重要。可控加载技术是实现动高压服役环境的有效手段，是通过能量驱动梯度材料(gradientmaterials-结构或组分沿某维度逐渐变化的材料)撞击靶材，在靶材中获得不同应力应变率载荷环境，而波阻抗梯度材料(z＝ρc，z-阻抗，ρ-材料密度，c-材料常压声速)作为可控加载技术的核心，可通过独特的材料设计实现不同范围的应力应变率环境。

2、公开号为cn117183320a的中国专利公开了一种基于dlp拼接打印的缝隙优化方法，其包括以下步骤确定打印的陶瓷基板的尺寸大小和打印参数，然后使用建模软件设置模型分割规则将模型按照打印的层厚进行三维坐标轴分割，基于xoy平面在陶瓷基板的中线处进行分割。接着在z轴上按照层高对分割的模型左右部分交叉逐层抬高堆积并调控拼接缝隙重叠，重构陶瓷基板模型。最后对模型进行预处理，包括导入模型，得到二维切片送入打印机打印成型。上述方案虽然公开了将导入dlp打印机的模型进行二维切片并打印成型，但是对于增材制造中结构梯度材料需求的大尺寸和高精度难以兼顾，导致造成不可逆的热量损失降低应力调控峰值，并且也无法通过结构参数的变化调控结构难以直观获得阻抗的变化，因此，提供一种用于实现可控应力应变率加载的梯度结构及制备方法，来改善结构梯度材料的可控应力应变率加载范围，是非常有必要的。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种用于实现可控应力应变率加载的梯度结构及制备方法。通过控制结构基元模型的截面积，实现由结构基元模型至介质基板模型截面积逐渐增大的面密度梯度结构，以达到改善结构梯度材料的可控应力应变率加载范围的目的。

2、本发明提供了一种用于实现可控应力应变率加载的梯度结构及制备方法，所述方法包括：

3、s1：通过仿真软件构建介质基板模型和多个相同的结构基元模型；

4、s2：将多个所述结构基元模型以预设排列方式设置于所述介质基板模型的上表面，从而构成梯度结构stl模型，所述结构基元模型的截面积由背离所述介质基板模型方向朝靠近所述介质基板模型方向逐渐增大；

5、s3：将所述梯度结构stl模型进行预处理，以获取梯度结构切片模型，所述梯度结构切片模型包括多个厚度相同的二维切片；

6、s4：基于打印参数和面投影微立体光刻技术，制备与所述梯度结构切片模型对应的面密度梯度结构，其中，所述打印参数包括所述二维切片的层厚。

7、在以上技术方案的基础上，优选的，在s1中，通过仿真软件构建多个相同的所述结构基元模型时，采用指数计算的方法得到不同梯度结构下梯度飞片的厚度与波阻抗值分布之间的变化关系，以构建所述结构基元模型。

8、在以上技术方案的基础上，优选的，所述结构基元模型的数学表达式为：

9、z(x)＝z0+b(x/d)p

10、其中，x表示所述梯度飞片的厚度坐标，z(x)表示所述梯度飞片在任意厚度坐标x处的波阻抗值，z0表示所述梯度飞片前界面的波阻抗值，b表示比例系数，d表示梯度飞片的厚度，p表示所述梯度飞片的波阻抗分布指数。

11、更进一步优选的，所述打印参数还包括紫外光曝光时间、曝光强度、树脂流平时间、刮刀速度以及滚刀速度，其中，所述二维切片的层厚为10～40μm，所述紫外光曝光时间为0.5～4s，所述曝光强度为20～100mw/cm2，所述树脂流平时间为60～720s，所述刮刀速度为2～10mm/s，所述滚刀速度为5～40mm/s。

12、更进一步优选的，所述介质基板模型的厚度为2～10mm，所述介质基板模型的直径为12～95mm。

13、更进一步优选的，所述结构基元模型的高度为1～5mm，所述结构基元模型的半径为0.5～5mm。

14、更进一步优选的，所述预设排列方式为方形紧密排列或圆形紧密排列。

15、更进一步优选的，在s3中，将所述梯度结构stl模型进行预处理包括：使用materialise magics切片软件将所述梯度结构stl模型切分为多个具有相同厚度的二维平面。

16、更进一步优选的，所述方法还包括：

17、将制备得到的所述面密度梯度结构用速干胶固定于弹托上，并称重获取所述面密度梯度结构与所述弹托的总重量；

18、基于所述面密度梯度结构与所述弹托的总重量以及预设击靶速度，计算得到一级轻气炮达到所述预设击靶速度所需的注气压力，所述一级轻气炮根据所述注气压力压缩高压氮气驱动所述面密度梯度结构与所述弹托，以使所述面密度梯度结构与所述弹托以所述预设击靶速度撞击铝靶；

19、与所述铝靶连接的装置测量计算所述铝靶受到的加载应力应变率，记录每次撞击得到的所述铝靶后界面中不同位置的冲击信号，对多个所述冲击信号进行处理，以获得不同位置对应的加载应力应变率。

20、本发明还提供了采用上述的制备方法制得的用于实现可控应力应变率加载的梯度结构。

21、本发明提供的一种用于实现可控应力应变率加载的梯度结构及制备方法相对于现有技术具有以下有益效果：

22、(1)通过控制结构基元模型的截面积，实现由结构基元模型至介质基板模型截面积逐渐增大的面密度梯度结构，有助于调控面密度梯度结构的波阻抗及波阻抗变化率，制备的具有接近于0初始阻抗的面密度梯度结构，可实现无初始冲击、光滑以及连续压缩的可控加载曲线，进而达到改善结构梯度材料的可控应力应变率加载范围的目的；

23、(2)通过结构基元模型的数学模型z(x)＝z0+b(x/d)p提出了不同阻抗变化形式的面密度梯度结构，扩宽了面密度梯度结构实现可控应力应变率的加载路径及范围；

24、(3)通过控制每层二维切片的固化程度来调控面密度结构尖端尺寸精度，同时通过面投影微立体光刻技术的调节二维切片的层厚、曝光时间及曝光强度协同调控梯度结构每层的固化程度，形成了具有大尺寸、高精度以及高平整度的面密度梯度结构的精细化制备方法。

技术特征：

1.一种用于实现可控应力应变率加载的梯度结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

2.如权利要求1所述的用于实现可控应力应变率加载的梯度结构的制备方法，其特征在于，在s1中，通过仿真软件构建多个相同的所述结构基元模型时，采用指数计算的方法得到不同梯度结构下梯度飞片的厚度与波阻抗值分布之间的变化关系，以构建所述结构基元模型。

3.如权利要求2所述的用于实现可控应力应变率加载的梯度结构的制备方法，其特征在于，所述结构基元模型的数学表达式为：

4.如权利要求1所述的用于实现可控应力应变率加载的梯度结构的制备方法，其特征在于，所述打印参数还包括紫外光曝光时间、曝光强度、树脂流平时间、刮刀速度以及滚刀速度，其中，所述二维切片的层厚为10～40μm，所述紫外光曝光时间为0.5～4s，所述曝光强度为20～100mw/cm2，所述树脂流平时间为60～720s，所述刮刀速度为2～10mm/s，所述滚刀速度为5～40mm/s。

5.如权利要求1所述的用于实现可控应力应变率加载的梯度结构的制备方法，其特征在于，所述介质基板模型的厚度为2～10mm，所述介质基板模型的直径为12～95mm。

6.如权利要求1所述的用于实现可控应力应变率加载的梯度结构的制备方法，其特征在于，所述结构基元模型的高度为1～5mm，所述结构基元模型的半径为0.5～5mm。

7.如权利要求1所述的用于实现可控应力应变率加载的梯度结构的制备方法，其特征在于，所述预设排列方式为方形紧密排列或圆形紧密排列。

8.如权利要求1所述的用于实现可控应力应变率加载的梯度结构的制备方法，其特征在于，在s3中，将所述梯度结构stl模型进行预处理包括：使用materialise magics切片软件将所述梯度结构stl模型切分为多个具有相同厚度的二维平面。

9.如权利要求1所述的用于实现可控应力应变率加载的梯度结构的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：

10.如权利要求1-9中任一项所述的制备方法制得的用于实现可控应力应变率加载的梯度结构。

技术总结本发明提出了一种用于实现可控应力应变率加载的梯度结构及制备方法，涉及增材制造制备技术领域，所述方法包括：通过仿真软件构建介质基板模型和多个相同的结构基元模型；将多个所述结构基元模型以预设排列方式设置于所述介质基板模型的上表面，从而构成梯度结构STL模型，所述结构基元模型的截面积由背离所述介质基板模型方向朝靠近所述介质基板模型方向逐渐增大；将所述梯度结构STL模型进行预处理，以获取梯度结构切片模型，所述梯度结构切片模型包括多个厚度相同的二维切片；基于打印参数和面投影微立体光刻技术，制备与所述梯度结构切片模型对应的面密度梯度结构，其中，所述打印参数包括所述二维切片的层厚。本发明有助于改善结构梯度材料的可控应力应变率加载范围。技术研发人员：罗国强,刘之强,胡雅丽,吴澳杰,武子祺,张睿智,张建,沈强受保护的技术使用者：武汉理工大学三亚科教创新园技术研发日：技术公布日：2024/7/4