一种自感知仿生点阵结构及其制备方法和应用

本发明涉及工程材料制备、结构设计，尤其涉及一种自感知仿生点阵结构及其制备方法和应用。

背景技术：

1、三维仿生点阵结构是力学超材料中的一种新型机械超材料，如图1（a）-（c）所示，传统bcc点阵单元，为12根等长的外框杆件1构成正立方体全部的12条棱边，形成规整的立方体外框，外框杆件1边长为l1，正立方体内部设有四根对顶角相互连接且穿过立方体中心的4根交叉杆件2。

2、传统以bcc点阵单元构成的三维仿生点阵结构凭借其高度可设计的微观结构和由结构主导的宏观力学性能，已展现出传统材料难以实现的独特优势。例如蜂巢、骨骼和珍珠层等，就可以很大程度的实现对目标功能的精准调控。目前，现有点阵结构多关注于单一性能的提升，而对点阵结构多功能集成方面的研究尚且不足。将点阵结构与具有电学响应特性的功能材料相结合，是实现结构多功能化的重要途径之一。基于导电填料构建的电学响应可使结构在受载变形过程中产生可测的电阻变化，从而实现对结构变形状态的实时感知，这种结构在健康监测与智能防护领域具有明确的理论基础和工程应用价值。

3、但是，现有技术的点阵结构单元在压缩应力-应变过程中表现出明显的应力波动及不稳定的屈曲行为，无法有效抵抗实际工程应用中因应力的快速下降而导致的整体结构所发生的失效。与此同时，现有点阵结构多关注于单一性能的提升，对实现力学防护性能与电学感知性能的深度融合方面尚且研究不足，难以适配可穿戴防护装备的复合功能需求。

4、将点阵结构与具有电学响应特性的功能材料相结合，是实现结构多功能化的重要途径之一。基于导电填料构建的电学响应可使结构在受载变形过程中产生可测的电阻变化，从而实现对结构变形状态的实时感知，这种结构在健康监测与智能防护领域具有明确的理论基础和工程应用价值。

5、因此，如何实现点阵结构在嵌入护肘等可穿戴防护装备中不仅能够有效提升装备的缓冲与防护性能，还能够实现对外部冲击载荷的实时感知与反馈，成为目前亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种自感知仿生点阵结构及其制备方法和应用，该结构通过引入深海玻璃海绵骨架的生物层级结构特征，引入相对密度和偏移系数进行协同设计，可有效提升结构的综合力学性能。将未进行二次固化的柔性导电点阵结构应用于易碎器件防护和可穿戴冲击防护中，其展现出优异的弹性、良好的能量吸收能力以及冲击感知功能，不仅能够显著提升装备的缓冲与防护性能，还能够对外部冲击载荷的实时感知与反馈，实现了缓冲吸能与自感知监测一体化双功能集成。

2、本发明是通过下述技术方案来实现的。

3、本发明一方面，提供了一种自感知仿生点阵结构，点阵结构以各自构型的立方体点阵单胞为基本点阵结构单元，沿空间x、y、z三正交方向进行周期性阵列拓展，整体构成m×n×p规模的点阵结构体，m≥1，n≥1，p≥1；

4、所述点阵结构单元包括exbcc双对角增强点阵单元；所述exbcc双对角增强点阵单元包括由外框杆件构成的正立方体框架，在正立方体框架的顶面和底面正方形框架上连接一对对角杆件，在正立方体框架内设有一对分别连接一对对角杆件和外框杆件的四个交叉杆件，四个交叉杆件的短斜杆连接在一对对角杆件交叉点外，四个交叉杆件的长斜杆交汇于各自连接外框杆件的节点上。

5、优选的，所述交叉杆件为四根沿外框杆件对角分布的斜杆，交叉杆件沿中心交汇点分裂为两组独立的交叉节点，四根交叉杆件沿外框杆件的延伸方向进行双向对称偏移。

6、优选的，所述四个交叉杆件的短斜杆一端连接在一对对角杆件交叉点外，连接点相对对角杆件顶点向内延伸的距离为l1，其中，l1为外框杆件1边长，m为偏移系数，0＜m≤1/2。

7、优选的，所述四根交叉杆件长斜杆一端连接在外框杆件的纵向立杆上，连接点相对外框杆件顶点双向对称偏移量为ml1，l1为外框杆件1边长，m为偏移系数，0＜m≤1/2。

8、优选的，所述点阵结构单元包括gsibcc仿玻璃海绵点阵单元，所述gsibcc仿玻璃海绵点阵单元是在exbcc点阵单元的结构长斜杆交汇节点与四个交叉杆件交叉节点之间分布有中心杆件。

9、本发明另一方面，提供了一种所述的自感知仿生点阵结构的制备方法，包括以下步骤：

10、（a）选用光敏树脂作为成型材料，采用光固化成型工艺，选用面投影光固化3d打印设备，使用柔性lcd光敏树脂进行打印；

11、（b）按照预设的三维模型路径，通过紫外光逐层曝光固化的方式，设置参数打印双对角增强体心立方点阵结构exbc和仿玻璃海绵体心立方点阵结构gsibcc；

12、（c）将所得点阵结构依次用无水乙醇超声清洗、去离子水清洗，吹干，紫外固化处理，得到exbcc或gsibcc点阵结构；

13、（d）将点阵结构直接浸入碳纳米管导电溶液中，整体在真空条件下处理，再缓慢释放压力至常压；

14、（e）将样品继续在碳纳米管悬浮液中继续静置，干燥，得到exbcc或gsibcc自感知点阵结构。

15、优选的，步骤（a）中，设置参数为层高30~50μm，曝光时间5~8s，底层曝光时30~60s，抬升速度为50~80mm/min，抬升高为5~8mm，在20℃~25℃环境下使用柔性lcd光敏树脂进行打印。

16、优选的，碳纳米管导电溶液按照以下方法制备：

17、以（20~30）:（0.1~0.3）的质量比，将la33水性粘结剂加入含量为0.4~0.5%单壁碳纳米管水分散液中，混合溶液搅拌6 ~10h得到导电溶液。

18、优选的，步骤（c）中，点阵结构置于95%的无水乙醇中超声清洗15~30 min；置于紫外固化箱中经10~30min后固化处理；

19、步骤（d）中，在0.08~0.09mpa真空度下处理20~30min；

20、步骤（e）中，样品在碳纳米管悬浮液中静置2~5h，50 ~60℃干燥2~5h。

21、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

22、1.本发明在传统bcc结构的基础上，通过深海玻璃海绵生物的生物层级结构特征，引入双对角增强支柱和sc支柱，实现了gsibcc点阵结构机械性能的极大提升。

23、2.利用相对密度和偏移系数作为参数化设计变量，可使用目标优化方法，实现点阵结构的多性能提升，增大了结构性能的可设计空间。

24、3. 以柔性树脂为基体材料，将点阵结构浸润在碳纳米管分散液中即可实现将纳米管导电填料覆盖在点阵结构基体表面，通过碳纳米管溶液浸润，可为点阵结构附加电学感知功能，实现兼具力学承载能力缓冲吸能和对外部载荷电学感知一体化双功能，为点阵结构未来在健康监测与智能防护期间中提供全新的多功能化设计思路。

25、4. 针对未进行二次固化的点阵结构，在浸润碳纳米后能够保持良好的弹性，并且在低频下具有较好的恢复能力。点阵结构不仅能够有效地吸收外部冲击力，还能通过其变形感知其电阻变化，本发明自感知仿生点阵结构可应用于易碎器件的防护和可穿戴防护装备中。