[0001] 本发明涉及新材料技术领域，尤其涉及一种抗冲击高强韧层状梯度结构及其制备方法。

[0002] 在航空航天、汽车工程等许多领域，冲击等极端载荷会造成防护设备严重损坏，开发具有高强度、高韧性和高能量吸收的复合材料及结构的需求日益增加。然而传统设计理念材料单一、吸能性能低，难以同时满足高强度和高韧性的需求。自然界中的贝壳珍珠层表现出刚度、强度和韧性之间的完美平衡，由于其独特的结构使得韧性比其成分（文石）高出几个数量级。珍珠层结构主要由体积分数为95%的碳酸钙（文石）和体积分数为5%的有机基质（蛋白质）组成，硬相文石（砖）以平行和交错的模式嵌入至软相有机基质（泥）中，形成独特的“砖‑泥”结构。

[0003] 功能梯度材料由两种或两种以上材料组成，通过材料制备过程实现成分和结构在空间上的逐渐变化，可以实现不同性质材料的优势互补。由于天然珍珠层结构启发，通过结构设计制备获得的仿珍珠层复合材料具有硬相和软相组成成分与排布方式的梯度特性，仿珍珠层结构已被证明能提升材料的吸能和抗冲击性能，但其多数在较低冲击速度（＜5m/s）表现出优异抗冲击性能，而在高速冲击下抗冲击性能有限。因此，设计一种新型的高强韧抗冲击层状梯度结构，能够具有在较高冲击速度下（13m/s）的高抗冲击性能，从而使该新型材料可以适用于防爆、防护及吸能领域。

[0019] 下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

[0020] 如图1所示，结合图2，本发明的一种抗冲击高强韧层状梯度结构，包括第一硬相层1、软相层2及第二硬相层3。

[0021] 其中，两个第一硬相层1间隔设置。第一硬相层1包括软相结构11及硬相结构12，软相结构11为网状机构且表面开设有若干网孔101，硬相结构12填充满各网孔101。

[0022] 两个软相层2夹设在两个第一硬相层1层之间且间隔设置。

[0023] 第二硬相层3夹设在两个软相层2之间。

[0024] 本发明的原理是将仿珍珠层结构与层间三明治结构进行结合，采用了在传统仿珍珠层结构的层间软相间引入一层硬相，使得砖块层间形成“软‑硬‑软”的三明治结构。“砖‑泥”结构中硬相砖块提供了强度，软相灰泥具有优异的塑性变形能力，在受到高速冲击时可以耗散大量冲击能量，其独特的硬相与软相排布方式可以将应力均匀分布，避免了应力集中导致结构灾难性损坏；层间三明治结构引入了层间“软‑硬‑软”的协同模式，进一步保证了结构整体的强度和韧性，使得新型仿珍珠层‑层间三明治结构具有优异的强韧性及抗冲击性能。。

[0025] 在图2所示的一种优选实施例中，硬相结构12及第二硬相层3为相同的硬相材料制成，软相层2及软相结构11为相同的软相材料制成，使软相层2及软相结构11能够结合成一个软相整体，并将作为“砖块”的硬相结构12裹在软相整体内，形成了“砖‑泥”结构，有助于提升结构的抗冲击性能，同时减少制成本申请的抗冲击高强韧层状梯度结构所需的材料种类，降低生产难度及成本。

[0026] 在图2所示的一种优选实施例中，硬相材料为聚乳酸材料，软相材料为热塑性聚氨酯材料。聚乳酸，又称聚丙交酯，是以乳酸为主要原料聚合得到的聚酯类聚合物。热塑性聚氨酯弹性体又称热塑性聚氨酯橡胶，简称TPU，是一种(AB)n型嵌段线性聚合物，A为高分子量（1000 6000）的聚酯或聚醚，B为含2 12直链碳原子的二醇，AB链段间化学结构是二异氰~ ~酸酯；其具有高韧性、耐磨、耐油等优异的综合性能。本申请也可以采用其他类型的硬相材料及软相材料，同时结构的制备方法也会发生相应变化。

[0027] 在图3所示的一种优选实施例中，软相结构11为蜂窝状结构，网孔101的形状为六边形，网孔101的六边形形状优选为不规则的六边形。六边形是平面上最优的填充形状，能够在空间中实现最密集的排列，从而提高材料的使用效率和结构的稳定性。网孔101也可以为及其他形状，其形状的变化会改变结构的性能。

[0028] 在图4所示的一种优选实施例中，网孔101的平均边长长度为4‑7mm，限制网孔101的大小，能够有效地平衡材料的轻量化与强度，在这个范围内，网孔101的强度和刚度能够得到优化，使得应力均匀分布。以提升抗冲击高强韧层状梯度结构的结构强度，不仅能够优化材料的轻量化和能量吸收能力，还能在多种应用中提供可靠的保护和支持。

[0029] 在图3所示的一种优选实施例中，第一硬相层1的层厚度大于两个软相层2与第二硬相层3的层厚度之和，保证了仿珍珠层的主体部分具有较高的强度以及高抗冲击能力。第一硬相层1的层厚度与两个软相层2及第二硬相层3的层厚度之和的比例关系变化会使得软相与硬相体积比变化，会影响结构的强度及抗冲击性能。

[0030] 在图3所示的一种优选实施例中，软相层2与第二硬相层3的层厚度相同，以保证层间三明治结构具有提升本申请层状结构的抗冲击性能的能力。

[0031] 在图5所示的一种优选实施例中，上下相邻的两个软相结构11的网孔101错位设置，有助于提升抗冲击高强韧层状梯度结构的结构强度。

[0032] 在图5所示的一种优选实施例中，相邻层的其中一个软相结构11沿网孔101其中一条边长的延伸方向平移50%边长长度的距离，使相邻软相结构11的网孔101错位设置，相邻层多边形不重合，有助于提升抗冲击高强韧层状梯度结构的结构强度。

[0033] 本发明的一种抗冲击高强韧层状梯度结构的制备方法，用于制备上述任意一种实施例的抗冲击高强韧层状梯度结构，包括以下步骤，步骤一，使用三维建模软件建立抗冲击高强韧层状梯度结构的三维模型，将建立好的三维模型中硬相材料与软相材料进行划分，分别保存为硬相模型文件和软相模型文件，该模型文件为STL文件；步骤二，将硬相模型文件和软相模型文件文件导入切片软件，设置切片层厚为0.2mm切片处理后导出打印文件，打印文件为g‑code文件；步骤三，使用熔融沉积3D打印机根据打印文件进行打印，将硬相材料设置为聚乳酸材料，聚乳酸材料喷头温度设置为205‑210℃，将软相材料设置为热塑性聚氨酯材料，热塑性聚氨酯材料喷头温度设置为215‑220℃，设置打印平台温度为50‑60℃，设置打印速度为20‑40mm/s，打印获得抗冲击高强韧层状梯度结构。

[0034] 通过分离式霍普金森压杆加载试验对本发明的抗冲击高强韧层状梯度结构与传统的仿珍珠层结构进行对比试验，冲击速度为13m/s，分别检测二者的抗冲击性能数据，包括结构强度及结构总吸能，并获得检测数据如下表1。其中，本发明的抗冲击高强韧层状梯度结构采用仿珍珠层‑层间三明治结构，设计实施例1至6，即表1中的N33L、N43L、N53L、N63L、N73L及N83L；各实施例中的第一硬相层1上网孔101的平均边长长度分别为3mm、4mm、5mm、6mm、7mm及8mm。相应的，设计仿珍珠层结构的对比例1至6，即表1中的N3、N4、N5、N6、N7及N8；各对比例的网状结构的孔平均边长长度分别为3mm、4mm、5mm、6mm、7mm及8mm。

[0035] 表1

[0036] 通过各实施例与对应的相同层数的对比例的数据对比可以发现，在试验的冲击速度为13m/s的情况下，本发明的抗冲击高强韧层状梯度结构采用仿珍珠层‑层间三明治结构，相比单纯的仿珍珠层结构，其结构强度与总吸能性能显著提升。因此，本发明的抗冲击高强韧层状梯度结构在较高冲击速度下（13m/s）具有更高的抗冲击性能。但根据实施例1及其对应的对比例数据可以发现，网孔101边长过小时，网孔的101的大小极小且布设极密，导致作为“砖块”的硬相结构12在平面内分布面积较小，反而对结构的结构强度提升有限，但同时结构内的软相材料占比较大，因此总吸能的效果仍然显著；相应的，根据实施例6及其对应的对比例数据可以发现，网孔101边长过大时，网孔的101的大小极大且相对布设较疏，因此作为“砖块”的硬相结构12在平面内分布面积较大，因而对结构的结构强度提升显著，但同时结构内的软相材料占比降低，因此造成总吸能提升的效果明显削弱。

[0037] 以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。