用于增強(qiáng)能量吸收的結(jié)構(gòu)化材料的制作方法
【專利說明】用于增強(qiáng)能量吸收的結(jié)構(gòu)化材料
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)主張于2013年3月8日申請(qǐng)的名稱為ARCHITECTED MATERIALS WITHTHICKNESS HIERARCHY的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第61/775，330號(hào)以及于2013年6月25日申請(qǐng)的名稱為 ARCHITECTED MATERIALS FOR ENHANCED ENERGY ABSORPT1N 的美國(guó)非臨時(shí)申請(qǐng)第13/927，064號(hào)的優(yōu)先權(quán)及權(quán)益，上述申請(qǐng)的內(nèi)容在此整體并入本文作為參考。
[0003]將金屬晶格(桁架)用于能量吸收的應(yīng)用已經(jīng)在以下專利中討論:美國(guó)專利第7，382，959 號(hào)(“Optically oriented three-dimens1nal polymer microstructures，，)和于2007年05月10日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)第11/801，908號(hào)；于2008年I月11日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)第12/008，479號(hào)；于2008年3月5日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)第12/074，727號(hào)；于2008年3月6日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)第12/075，033號(hào)；于2009年6月I日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)第12/455，449號(hào)；以及于2010年12月22日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)第12/928，947號(hào)。多種微型桁架結(jié)構(gòu)和制造微型桁架結(jié)構(gòu)的方法已經(jīng)在以下專利中做了描述:美國(guó)專利申請(qǐng)第12/455，449號(hào)，該申請(qǐng)公開了一種制造具有固定面積的微型桁架結(jié)構(gòu)的方法；美國(guó)專利申請(qǐng)第12/835，276號(hào)，該申請(qǐng)公開了一種根據(jù)連續(xù)的過程連續(xù)制造微型桁架結(jié)構(gòu)(例如，任意長(zhǎng)度的長(zhǎng)條)的方法；以及美國(guó)專利申請(qǐng)第12/928，947號(hào)，該申請(qǐng)公開了一種用于能量吸收的由可壓縮流體填充的微型桁架。上述交叉引用的專利和申請(qǐng)中的每一個(gè)由本申請(qǐng)的受讓人所共同擁有，并且通過引用整體并入本申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004]以下說明涉及能量吸收材料，更具體地，涉及具有增強(qiáng)能量吸收能力的結(jié)構(gòu)化晶格材料。
【背景技術(shù)】
[0005]能量吸收材料已經(jīng)廣泛用于防止人員和貨物受到破壞性的沖擊和力。能量吸收材料可以分為兩類:不具有桁架結(jié)構(gòu)的材料和具有桁架結(jié)構(gòu)的材料。前一類包括蜂窩材料，例如封閉或開口的金屬或聚合物單元泡沫、壓紋蜂窩結(jié)構(gòu)(crushed honeycomb)或者其它商業(yè)材料，例如Skydex?。后一類包括由實(shí)心或空心構(gòu)件(支柱、桁架或晶格)與在該結(jié)構(gòu)的厚度方向上的恒定結(jié)構(gòu)化參數(shù)(例如，晶胞尺寸、半徑、長(zhǎng)度或每一個(gè)構(gòu)件的角度)組成的微型桁架結(jié)構(gòu)。對(duì)于前一類，蜂窩材料通過彈性和/或非彈性變形來消散與沖擊相關(guān)聯(lián)的動(dòng)能。泡沫和預(yù)壓蜂窩材料的壓縮響應(yīng)接近于理想響應(yīng)(如圖1所示，該內(nèi)容將在下文中做更詳細(xì)的描述)，但是這些材料的性能受到泡沫的低密實(shí)化應(yīng)變或預(yù)壓蜂窩材料的低承載能力的限制。在任一種情況下，盡管響應(yīng)特性是理想的，但這些材料的性能仍受到不理想的微觀結(jié)構(gòu)的空間布置的影響。
[0006]先前的具有桁架或晶格結(jié)構(gòu)的材料具有厚度方向(即，該桁架或晶格結(jié)構(gòu)的能量吸收方向)上的恒定結(jié)構(gòu)化參數(shù)。如圖2所示，高結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和缺少分離的內(nèi)部構(gòu)件導(dǎo)致同時(shí)屈曲和載荷傳遞能力的急劇損失。這將使材料的能量吸收能力隨著與壓實(shí)相關(guān)聯(lián)的應(yīng)力平臺(tái)下降到大大低于峰值。
[0007]現(xiàn)在回到給定能量吸收材料在沖擊或壓縮下的表現(xiàn)，將由桁架或類似梁的元件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)化材料在破壞機(jī)構(gòu)中試驗(yàn)，其中入射能量或外功分為三個(gè)階段被吸收:初始屈曲、在恒定或接近恒定應(yīng)力水平下壓實(shí)和最終完全密實(shí)化。圖1是顯示能量吸收材料的理想性能的示意圖。材料的初始響應(yīng)是壓縮應(yīng)變，該壓縮應(yīng)變隨著與屈曲或塑性變形開始前的材料響應(yīng)相對(duì)應(yīng)的壓縮應(yīng)力線性變化。在到達(dá)峰值應(yīng)力101之后，該理想材料響應(yīng)從線彈性階段轉(zhuǎn)換到恒定應(yīng)力平臺(tái)階段102，在該階段，通過材料傳送的力保持均勻和恒定，直到該材料達(dá)到密實(shí)化階段為止，在密實(shí)化階段，應(yīng)變?cè)俅坞S著應(yīng)力迅速地、線性或非線性地增加。與從平臺(tái)應(yīng)力到密實(shí)化階段的轉(zhuǎn)變點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變被視為密實(shí)化應(yīng)變103。給定材料的最大可能體積能量吸收被計(jì)算為峰值應(yīng)力101與100%應(yīng)變的乘積。然而，實(shí)際的結(jié)構(gòu)化材料與理想的響應(yīng)具有偏差并且導(dǎo)致吸收效率的損失。圖2示出了具有高結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和內(nèi)部連通性的晶格或桁架結(jié)構(gòu)的典型性能。在此，達(dá)到屈曲開始的峰值應(yīng)力201而非停留在該峰值應(yīng)力水平之后，壓縮應(yīng)力下降到較低的平臺(tái)應(yīng)變202 ο這被認(rèn)為是由于具有高結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和內(nèi)部連通性的結(jié)構(gòu)中的單個(gè)點(diǎn)處的屈曲的開始將會(huì)觸發(fā)整個(gè)所述結(jié)構(gòu)的屈曲，從而導(dǎo)致瞬間的負(fù)載承載能力損失和降低的能量吸收效率。這種情況下，密實(shí)化應(yīng)變203被限定為與峰值應(yīng)力值與應(yīng)力-應(yīng)變曲線的水平線相交處相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變水平。實(shí)際吸收的體積能量被計(jì)算為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下在0%應(yīng)變與密實(shí)化應(yīng)變之間的面積。這樣的材料的能量吸收效率被計(jì)算為實(shí)際體積能量吸收與最大可能的體積能量吸收的比值。
[0008]因此，仍然需要具有固有結(jié)構(gòu)的和低質(zhì)量效益的晶格架構(gòu)，但也具有改進(jìn)的能量吸收響應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的實(shí)施例方面涉及當(dāng)加載壓縮時(shí)具有較佳能量吸收性能的結(jié)構(gòu)化材料。該材料具有在材料的厚度方向(S卩，主要的能量吸收方向)上具有層次的桁架或者晶格結(jié)構(gòu)，在保持固有結(jié)構(gòu)和規(guī)模效益的同時(shí)，該結(jié)構(gòu)可以相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的晶格結(jié)構(gòu)提供增強(qiáng)的能量吸收功能。架構(gòu)控制的附加維度可以被引入到兩個(gè)不同實(shí)施例中的標(biāo)準(zhǔn)晶格結(jié)構(gòu)中。
[0010]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，具有厚度層次的三維晶格架構(gòu)包括第一表面和第二表面，第一表面和第二表面彼此分開(沿著第一和第二表面中的至少一個(gè)的法線方向)一定距離并在第一表面和第二表面之間限定三維晶格架構(gòu)的厚度；沿著第一表面和第二表面之間的多個(gè)方向延伸的多個(gè)成角度的支柱；將多個(gè)成角度的支柱彼此連接以形成多個(gè)晶胞的多個(gè)節(jié)點(diǎn)。多個(gè)成角度的支柱中的至少一部分沿著晶格結(jié)構(gòu)的厚度方向在內(nèi)部終止并且朝向晶格架構(gòu)的第一或第二表面提供多個(gè)內(nèi)部自由度。
[0011 ] 在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，具有厚度層次的三維晶格架構(gòu)包括第一表面和第二表面，該第一表面和第二表面彼此分開(沿著第一和第二表面中的至少一個(gè)的法線方向)一定距離并在第一表面和第二表面之間限定該晶格架構(gòu)的厚度和厚度方向；和在厚度方向上彼此堆疊的多個(gè)晶格結(jié)構(gòu)，從而在多個(gè)晶格結(jié)構(gòu)之間形成分界面，每個(gè)晶格結(jié)構(gòu)具有一組唯一的晶胞參數(shù)。相鄰兩個(gè)晶格結(jié)構(gòu)的一組晶胞參數(shù)彼此不同。
[0012]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，一種制造具有厚度層次的三維晶格架構(gòu)的方法包括以下步驟:在容器的頂部和底部中的至少一個(gè)處設(shè)置有圖案的模板；在容器中設(shè)置與有圖案的模板相接觸的大量光單體；通過掩模將光單體曝光在準(zhǔn)直光束下，該準(zhǔn)直光束相對(duì)于掩模以非垂直角度穿過該掩模的多個(gè)孔以在該光單體中以所述非垂直角度形成多個(gè)成角度的聚合物支柱，從而形成三維晶格結(jié)構(gòu)。
[0013]在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，一種制造具有厚度層次的三維晶格構(gòu)架的方法包括以下步驟:通過掩模將大量光單體曝光在準(zhǔn)直光束下，該準(zhǔn)直光束相對(duì)于掩模以非垂直角度穿過該掩模的多個(gè)第一孔以在該光單體中以所述非垂直角度形成多個(gè)成角度的聚合物支柱，從而形成具有頂面和底面的三維晶格結(jié)構(gòu)；和從頂面和底面中的一個(gè)中移除所述晶格結(jié)構(gòu)的一部分。
[0014]在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，一種制造具有厚度層次的三維晶格架構(gòu)的方法包括以下步驟:在第一容器中設(shè)置第一體積的光單體；通過第一掩模將該第一體積的光單體曝光在準(zhǔn)直光束下，該準(zhǔn)直光束相對(duì)于該掩模以第一非垂直角度穿過第一掩模的多個(gè)第一孔從而以該非垂直角度在該光單體中形成多個(gè)第一成角度的聚合物支柱，從而形成具有第一組晶胞參數(shù)、第一頂面和第一底面的第一三維晶格結(jié)構(gòu)；在第二容器中設(shè)置第二體積的光單體；通過第二掩模將該第二體積的光單體曝光在準(zhǔn)直光束下，該準(zhǔn)直光束相對(duì)于該掩模以第二非垂直角度穿過第二掩模的多個(gè)第二孔從而以該非垂直角度在該光單體中形成多個(gè)第二成角度的聚合物支柱，從而形成具有第二組晶胞參數(shù)、第二頂面和第二底面的第二三維晶格結(jié)構(gòu)；和連接第一頂面和第二底面。第一組晶胞參數(shù)與第二組晶胞參數(shù)不同。
【附圖說明】
[0015]圖1是具有或不具有晶格架構(gòu)的能量吸收材料的理想壓縮應(yīng)力-應(yīng)變表現(xiàn)的示意圖；
[0016]圖2是具有高結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和內(nèi)部聯(lián)通性的晶格或桁架結(jié)構(gòu)的典型壓縮應(yīng)力-應(yīng)變表現(xiàn)的不意圖；
[0017]圖3a和3b是顯示通過使用結(jié)構(gòu)化模板說明具有架構(gòu)厚度層次的晶格架構(gòu)的示意圖；
[0018]圖4是具有堆置在一起的兩個(gè)不同晶格結(jié)構(gòu)的晶格架構(gòu)的不意圖；
[0019]圖5a是顯示使用架構(gòu)模板制作晶格架構(gòu)的過程的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；
[0020]圖5b是顯示使用架構(gòu)模板制作晶格架構(gòu)的過程的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖；
[0021]圖6a顯示了引入中斷內(nèi)部構(gòu)件之前的一個(gè)示例性晶格架構(gòu)的仰視圖；
[0022]圖6b顯示了具有疊加在晶格架構(gòu)上的構(gòu)架模板的圖6a中所示的示例性晶格架構(gòu)的仰視圖；
[0023]圖6c示出了圖6a