刚柔异相与微结构耦合材料、其制备方法及其应用.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010782654.X (22)申请日 2020.08.06 (71)申请人 武汉理工大学 地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路 122号 (72)发明人 金勇孙双欧阳武 (74)专利代理机构 湖北武汉永嘉专利代理有限 公司 42102 代理人 刘秋芳陶洪 (51)Int.Cl. F16F 7/12(2006.01) F16C 27/06(2006.01) (54)发明名称 一种刚柔异相与微结构耦合材料、 其制备方 法及其应用 (57)摘要 一种刚柔异相与微结构耦合。

2、材料、 其制备方 法及其应用。 该刚柔异相与微结构耦合材料包括 柔性材料制成的基板， 基板包括多个圆柱形的体 积单元， 每个体积单元内设有一个刚性材料制成 的螺旋结构体， 螺旋结构体由沿圆柱单元轴线周 向布置的多条螺旋体组成， 至少三个相邻的圆柱 单元之间围合形成孔隙。 此外本申请还涉及上述 刚柔异相与微结构耦合材料的制备方法及其应 用。 本实施例提供的刚柔异相与微结构耦合材料 以节肢动物甲壳作为生物模本设计和制备得到， 在兼顾强度和阻尼的前提下具有良好的减振降 噪效果， 能够作为新型的水润滑轴承材料使用， 且可以通过3D打印进行制造， 适合大规模生产和 使用。 权利要求书1页 说明书5页 附。

3、图3页 CN 111946766 A 2020.11.17 CN 111946766 A 1.一种刚柔异相与微结构耦合材料， 其特征在于， 其包括柔性材料制成的基板， 所述基 板包括多个圆柱形的体积单元， 每个体积单元内设有一个刚性材料制成的螺旋结构体， 所 述螺旋结构体由沿所述圆柱单元轴线周向布置的多条螺旋体组成， 至少三个相邻的所述圆 柱单元之间围合形成孔隙。 2.根据权利要求1所述的刚柔异相与微结构耦合材料， 其特征在于， 所述刚性材料为抗 拉强度在30Mpa以上的树脂。 3.根据权利要求1所述的刚柔异相与微结构耦合材料， 其特征在于， 所述柔性材料为丁 腈橡胶。 4.根据权利要求1所述。

4、的刚柔异相与微结构耦合材料， 其特征在于， 所述孔隙的大小沿 所述基板的长度方向和宽度方向呈梯度分布。 5.根据权利要求1所述的刚柔异相与微结构耦合材料， 其特征在于， 所述螺旋体的螺旋 角沿所述基板的高度方向呈梯度分布。 6.根据权利要求1所述的刚柔异相与微结构耦合材料， 其特征在于， 所述圆柱单元的几 何尺寸量级为毫米级。 7.根据权利要求1所述的刚柔异相与微结构耦合材料， 其特征在于， 所述螺旋体的半径 尺寸量级为10-1毫米级； 多条所述螺旋体组成的所述螺旋结构体的螺旋圆的半径和高度尺 寸量级均为毫米级。 8.根据权利要求1所述的刚柔异相与微结构耦合材料的制备方法， 其特征在于， 使用。

5、3D 打印方法制备得到。 9.根据权利要求1所述的刚柔异相与微结构耦合材料在水润滑轴承中的应用。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111946766 A 2 一种刚柔异相与微结构耦合材料、 其制备方法及其应用 技术领域 0001 本申请涉及材料领域， 具体而言， 涉及一种刚柔异相与微结构耦合材料、 其制备方 法及其应用。 背景技术 0002 水润滑轴承是以自然水为润滑介质的一种轴承， 其具有清洁无污染、 节省能源、 发 热量很小、 冷却效率高的优点， 在舰船中得到了广泛的应用。 目前， 发达国家的水下航行器 已达到静音水平， 相比之下， 我国大部分舰船的水润滑轴承材料主要依赖于从国外进口， 。

6、结 构设计基本上模仿国外产品， 其关键核心技术被严格封锁， 严重制约了我国在该领域的竞 争能力， 在水润滑轴承方面建立自己的理论知识体系并进行自研创新， 深入研究水润滑轴 承的减振降噪技术措施和开发新材料， 能够提高舰船的静音水平和生存能力， 对我国船舶 发展具有重要的理论意义和工程应用价值。 0003 研究表明通过水槽分布、 表面织构、 高聚物阻尼层等方式， 水润滑尾轴承在一定程 度上可以降低轴系振动的能量传递水平， 但这主要集中在低频响应区， 而水下航行器在低 速、 重载等特殊工况下常产生频率较高的鸣音、 啸叫声， 振源频带宽且复杂。 因此， 需要开展 包括仿生材料研制或改性等创新思维， 。

7、研究更加宽频带主被动减振的设计方案， 探索尾轴 承减振降噪的新方法、 新技术。 发明内容 0004 本申请的目的在于提供一种刚柔异相与微结构耦合材料、 其制备方法及其应用， 其以节肢动物甲壳作为生物模本设计和制备得到， 具有良好的减振降噪效果， 能够作为新 型的水润滑轴承材料使用。 0005 本申请的实施例是这样实现的： 0006 第一方面， 本申请实施例提供一种刚柔异相与微结构耦合材料， 其包括柔性材料 制成的基板， 基板包括多个圆柱形的体积单元， 每个体积单元内设有一个刚性材料制成的 螺旋结构体， 螺旋结构体由沿圆柱单元轴线周向布置的多条螺旋体组成， 至少三个相邻的 圆柱单元之间围合形成孔。

8、隙。 0007 在一些可选的实施方案中， 刚性材料为抗拉强度在30Mpa以上的树脂。 0008 在一些可选的实施方案中， 柔性材料为丁腈橡胶。 0009 在一些可选的实施方案中， 孔隙的大小沿基板的长度方向和宽度方向呈梯度分 布。 0010 在一些可选的实施方案中， 螺旋体的螺旋角沿基板的高度方向呈梯度分布。 0011 在一些可选的实施方案中， 圆柱单元的几何尺寸量级为毫米级。 0012 在一些可选的实施方案中， 螺旋体的半径尺寸量级为10-1毫米级； 多条螺旋体组成 的螺旋结构体的螺旋圆的半径和高度尺寸量级均为毫米级。 0013 第二方面， 本申请实施例还提供了上述第一方面中刚柔异相与微结构。

9、耦合材料的 说明书 1/5 页 3 CN 111946766 A 3 制备方法， 其是使用3D打印方法制备得到。 0014 第三方面， 本申请实施例还提供了上述第一方面中刚柔异相与微结构耦合材料在 水润滑轴承中的应用。 0015 本申请的有益效果是： 本实施例提供了一种刚柔异相与微结构耦合材料、 其制备 方法及其应用， 该刚柔异相与微结构耦合材料包括柔性材料制成的基板， 基板包括多个圆 柱形的体积单元， 每个体积单元内设有一个刚性材料制成的螺旋结构体， 螺旋结构体由沿 圆柱单元轴线周向布置的多条螺旋体组成， 至少三个相邻的圆柱单元之间围合形成孔隙。 本实施例提供的刚柔异相与微结构耦合材料以节肢。

10、动物甲壳作为生物模本设计和制备得 到， 在兼顾强度和阻尼的前提下具有良好的减振降噪效果， 能够作为新型的水润滑轴承材 料使用， 且可以通过3D打印进行制造， 适合大规模生产和使用。 附图说明 0016 为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案， 下面将对实施例中所需要使用的附 图作简单地介绍， 应当理解， 以下附图仅示出了本申请的某些实施例， 因此不应被看作是对 范围的限定， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这 些附图获得其他相关的附图。 0017 图1为本申请实施例1中建模得到的刚柔异相与微结构耦合材料的结构示意图； 0018 图2为本申请实施例1中建模得。

11、到的刚柔异相与微结构耦合材料中体积单元的结 构示意图； 0019 图3为本申请实施例1中建模得到的刚柔异相与微结构耦合材料中螺旋结构体的 结构示意图； 0020 图4为本申请实施例1中建模得到的刚柔异相与微结构耦合材料的透视结构示意 图； 0021 图5为本申请实施例1中制备的刚柔异相与微结构耦合材料在不同螺旋体半径下 的应力值对应的曲线图。 0022 图中： 100、 基板； 200、 体积单元； 300、 螺旋结构体； 310、 螺旋体； 400、 孔隙。 具体实施方式 0023 为使本申请实施例的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将对本申请实施例中 的技术方案进行清楚、 完整地描述。。

12、 实施例中未注明具体条件者， 按照常规条件或制造商建 议的条件进行。 所用试剂或仪器未注明生产厂商者， 均为可以通过市售购买获得的常规产 品。 0024 下面对本申请实施例的刚柔异相与微结构耦合材料、 其制备方法及其应用进行具 体说明。 0025 本申请实施例提供一种刚柔异相与微结构耦合材料， 其包括柔性材料制成的基板 100， 基板100包括多个圆柱形的体积单元200， 每个体积单元200内设有一个刚性材料制成 的螺旋结构体300， 螺旋结构体300由沿圆柱单元200轴线周向布置的多条螺旋体310组成， 至少三个相邻的圆柱单元200之间围合形成孔隙400。 可选的， 刚性材料为抗拉强度在30。

13、Mpa 以上的树脂； 可选的， 柔性材料为丁腈橡胶； 可选的， 孔隙400的大小沿基板100的长度方向 说明书 2/5 页 4 CN 111946766 A 4 和宽度方向呈梯度分布； 可选的， 螺旋体310的螺旋角沿基板100的高度方向呈梯度分布； 可 选的， 圆柱单元200的几何尺寸量级为毫米级； 可选的， 圆柱单元200的半径为4-6mm， 高度为 8-12mm； 可选的， 螺旋体310的半径尺寸量级为10-1毫米级； 可选的， 螺旋体310的半径为0.5- 0.8mm； 可选的， 多条螺旋体310组成的螺旋结构体300的螺旋圆的半径和高度尺寸量级均为 毫米级； 可选的， 多条螺旋体31。

14、0组成的螺旋结构体300的螺旋圆的半径为2-4mm， 高度为15- 25mm。 0026 本实施例提供的刚柔异相与微结构耦合材料参考节支动物的甲壳微观结构进行 仿生设计和研究， 设计得到一种刚性材料和柔性材料的耦合微结构， 其在柔性材料制成的 基板100内设置多个圆柱形的体积单元200， 并在每个体积单元200内设有一个刚性材料制 成的螺旋结构体300， 螺旋结构体300由沿圆柱单元200轴线周向布置的多条螺旋体310组 成， 同时在至少三个相邻的圆柱单元200之间围合形成孔隙400。 该刚柔异相与微结构耦合 材料利用类橡胶高聚物作为柔性材料制成的基体和高强度树脂作为刚性材料制成的螺旋 结构体。

15、组合形成具有错位结构的多级耦合材料， 使制备得到的耦合材料具有较高的强度、 优越的阻尼性能及良好的减振降噪效果， 从而在受到撞击时还可以充分耗散能量， 同时在 相邻的螺旋结构体之间围合产生的空隙形成类峰巢微结构可以有效的降低材料密度。 0027 其中， 螺旋体310的螺旋角沿基板100的高度方向呈梯度分布， 使让板条底部非润 滑端采用较大螺旋角来增大材料韧性， 而板条顶部润滑端采用较小的螺旋角来承受较大压 载， 提高底部材料抗压力学性能。 0028 在一些可选的实施例中， 孔隙400的大小沿基板100的长度方向和宽度方向呈梯度 分布时逐渐增大或减小， 可随基板100的尺寸进行个性化定制； 在一。

16、些可选的实施例中， 螺 旋体310的螺旋角沿基板100的高度方向呈梯度分布时逐渐增大或减小， 可随基板100的尺 寸进行个性化定制。 0029 本申请实施例还提供了上述刚柔异相与微结构耦合材料的制备方法， 其是使用3D 打印方法制备得到。 0030 本申请实施例还提供了上述刚柔异相与微结构耦合材料在水润滑轴承中的应用。 0031 以下结合实施例对本申请的刚柔异相与微结构耦合材料的特征和性能作进一步 的详细描述。 0032 实施例1 0033 本实施例提供了一种刚柔异相与微结构耦合材料， 其实通过以下方法制备得到： 0034 S1、 利用SolidWorks软件进行建模。 如图1和图2所示， 将。

17、含有9个体积单元200的基 板100模型作为打印试样建立打印模型， 创建圆柱形的体积单元200的模型结构如图3所示， 体积单元200的直径为5mm， 高度为10mm， 创建螺旋结构体300的模型结构如图4所示， 螺旋结 构体300由沿圆柱单元200轴线周向布置的9条螺旋体310组成， 9条螺旋体310组成的螺旋结 构体300的螺旋圆的半径为3mm， 螺距为20mm； 9个体积单元200生成3体积单元排列使相邻的 四个体积单元200之间围合形成孔隙400。 此外， 如图4所示， 组成螺旋结构体300的螺旋体 310的螺旋角沿基板100的高度方向呈梯度分布， 设计中选取螺旋体310的螺旋角的角度随。

18、 着高度变大逐渐变小， 即在打印过程中随着打印材料一层层堆积， 组成螺旋结构体300的螺 旋体310的螺旋角逐渐变小。 将总高度为10mm的螺旋体310分为四段， 相邻两段之间的螺旋 角的梯度变化如下表1所示。 说明书 3/5 页 5 CN 111946766 A 5 0035 表1螺旋体的螺旋角沿螺旋体高度方向的梯度变化 0036 0037 S2、 切片处理； 读取模型文件， 在solidworks模型建好后， 将模型设置为STEP格式， 通过切片软件读取模型数据并转化为软件内部的数据结构组合准备进行下一步分片切层 处理。 0038 S3、 分层切片； 切片软件根据模型在三维坐标中的数据来确。

19、定模型的大小和高度 参数， 软件通过一个平面根据一定的高度间隔来切割模型， 将模型分层， 高度间隔即为每一 层的层高， 同时也是打印平台每次下降的高度。 在分层结束后， 在每一层上都可以得到模型 在该高度上的轮廓线， 从而将3D模型转换为一层层的平面堆叠， 之后打印机在每一层上进 行后续的操作。 0039 S4、 划分打印区域； 切片分层处理后， 三维模型就变成了一叠平面图形， 此时对每 一层的图形进行划分以划分出不同的区域。 在模型中， 划分出图形中的柔性基体部分、 刚性 材料部分及其他支撑结构部分， 并标记这些部分， 再根据打印要求对这些部分设定不同的 打印参数。 0040 S5、 生成轮。

20、廓和填充路径完成区域划分后， 在组件中规划打印喷头的路径。 首先规 划轮廓路径即每一层图形的轮廓， 其是一个封闭图形， 因此可以从任意一点出发， 走完一圈 后又回到了起点。 随后规划填充路径以确定图形中要填充的部分即直线路径， 选择打印路 径的起点和终点作为直线的两个顶点即可。 由于划分了不同的区域， 还需要设置每个区域 独立的打印路径， 并且还要确定各组件的打印顺序。 0041 S6、 生成gcode代码； 生成gcode代码就是将先前设定好的所有的模型打印信息转 换成打印机可以识别的gocde代码， 代码中包含着所有的命令， 控制打印机的运作。 0042 S7、 打印机打印； 使用stra。

21、tasys J750的3D打印机进行打印。 启动打印机， 将处理 好的文件传输给stratasys J750 3D打印机， 同时装入原材料， 刚性材料选用RGD525和柔性 材料选用TangoGrayFLX950， 然后调试打印平台和设定打印的参数， 打印机将打印材料从喷 头喷出， 并控制喷头沿着横截面图案进行往复运动进行每一层的打印， 最终获得打印成品。 0043 按上述S1至S7的步骤， 分别制备螺旋体310的半径为0.5mm、 0.6mm、 0.7mm、 0.8mm的 刚柔异相与微结构耦合材料的基体100， 对应的螺旋结构体300的占比分别为12.4、 17.8、 24.3、 31.7。。

22、 在制备得到的各个刚柔异相与微结构耦合材料的基体100上表面 施加大小为1MPa的表面载荷， 底部的边界条件统一设定为绞结约束， 得到各个刚柔异相与 微结构耦合材料的基体100的应力值对应下表2所示。 0044 表2刚柔异相与微结构耦合材料在不同螺旋体半径下的应力值 0045 说明书 4/5 页 6 CN 111946766 A 6 0046 表2中刚柔异相与微结构耦合材料的基体100在不同螺旋体310半径下的应力值对 应的曲线图如图5所示， 从曲线图可以看出螺旋体310在半径为0.6mm时， 螺旋结构体300承 受的应力值达到了峰值， 之后开始下降， 同时刚柔异相与微结构耦合材料的基体100。

23、承受的 应力值也达到了四组数据中的最小值， 这说明螺旋体310的半径为0.6mm的刚柔异相与微结 构耦合材料具有最优的抗压力学性能。 0047 以上所描述的实施例是本申请一部分实施例， 而不是全部的实施例。 本申请的实 施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围， 而是仅仅表示本申请的选定实施 例。 基于本申请中的实施例， 本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的 所有其他实施例， 都属于本申请保护的范围。 说明书 5/5 页 7 CN 111946766 A 7 图1 说明书附图 1/3 页 8 CN 111946766 A 8 图2 图3 说明书附图 2/3 页 9 CN 111946766 A 9 图4 图5 说明书附图 3/3 页 10 CN 111946766 A 10 。