一种用于增强功能表面耐损伤性能的多层级微纳力学结构

1.本发明属于微纳结构功能表面技术领域，具体涉及一种用于增强功能表面耐损伤性能的多层级微纳力学结构。

背景技术：

2.在材料表面构建微纳尺度结构，有助于改善材料表面功能、调控材料界面状态，形成适应不同需求的功能表面，例如使材料具备抗冰、超疏水、陷光等特性，这在航空航天、汽车、微电子、新能源等领域有着广泛的应用前景。
3.然而，在服役过程中，在外界荷作用下，如颗粒磨损、滴液冲击、流体剪切等，受限于结构的力学属性与结构特征，功能表面会表现出局部过高的应力或者应变状态，造成局部压力过大和应力集中，导致结构的坍塌、断裂等力学失效。以能实现防/除冰的飞行器蒙皮表面功能层为例，飞行器高速行驶时，蒙皮表面微纳结构在尘埃、砂石、雨雪等高速冲击下，局部结构会承受较高的冲击载荷与集中应力，会诱发的结构断裂等表面机械损伤。
4.目前，针对功能表面的耐损伤问题，国内外的主要研究集中在增强和优化材料与结构的静态属性上，主要包括通过提升微纳结构材料的力学属性提升和结构协同优化，随着耐损伤要求的提高，基于静态的增强技术对材料与结构的要求只会越来越严格，研发难度也会越来越大，通过动态改变属性来提高功能表面耐损伤还少有人涉及，通过引入材料与结构的动态属性，能够进一步扩展功能表面耐损设计的空间。

技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种用于增强功能表面耐损伤性能的多层级微纳力学结构，通过引入动态结构，利用结构的几何特征、力学属性的时变化，改善外界载荷作用下功能表面的应力传递、分布与均化效果，提高表面功能层的耐损伤容限，提升功能表面的服役周期、保障功能表面的性能。
6.为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
7.一种用于增强功能表面耐损伤性能的多层级微纳力学结构，包括连接在一起的微纳复合结构功能层1、互连网络结构功能层2和力学人工结构功能层3；
8.所述的微纳复合结构功能层1为发挥表面功能的微柱阵列结构，用于实现所需的表面功能，实现材料表面改性；
9.所述的互连网络结构功能层2为硬相6与软相7互连结构，用于连接微纳复合结构功能层1与力学人工结构功能层3，且硬相6之间由软相7材料连接，形成不稳定平行四边形，在微柱4末端平面应力的作用下，自发旋转或重构，从而增大载荷承载面积，降低微柱4末端应力与应变的表观数值；
10.所述的力学人工结构功能层3为具有力学属性可重构的人工晶格组成的阵列结构，通过人工晶格的时空域重构，优化应力传递路径与应变能密度，降低功能表面的应力集中。
11.所述的力学属性可重构的人工晶格，能够发生应力/应变曲线和应变能密度的改变，力学人工结构功能层3通过局部人工晶格力学属性的重构，实现局部区域的力学属性提升，降低局部的应力集中，提升耐损伤性能。
12.当外界局部载荷作用于微纳复合结构功能层1时，承载的微柱4能够将末端平面应力，向下传递到互连网络结构功能层2，通过互连网络结构功能层2的硬相6与软相7结构的相对旋转效应，增大下端承载面积，降低表观应力；继而，在应力继续向下传递过程中，力学人工结构功能层3通过重构人工晶格的属性，提升或改变局部区域的力学属性，调节应力传递的路径与空间分布效果，使区域耐损伤性能提升。
13.所述的微纳复合结构功能层1的微柱4结构形式包括圆柱、棱柱和圆锥。
14.所述的微柱4内不均匀分布有功能性的纳米粒子5，纳米粒子5包括零维量子点、一维纳米线和二维纳米片等，不同的分布方式导致微柱4各区域力学属性不均匀，使得微柱4在外界载荷的作用下发生不同的形态的改变，形态变化包括发生弯曲、旋转、扭转，提升微柱4阵列的抗断裂性能。
15.所述的微柱4尺寸在亚微米或微米级别。
16.所述的互连网络结构功能层2中的硬相6与软相7的平面形状包括矩形、正方形、椭圆形和三角形。
17.所述的互连网络结构功能层2中的硬相6与软相7尺寸在亚微米或微米级别。
18.所述的具有力学属性可重构的人工晶格为具有双/多稳态力学特征的人工晶格，双/多稳态力学特征的人工晶格能够在载荷的作用下发生力学状态的转变，实现弹性模量和应变能密度的变化。
19.所述的具有双/多稳态力学特征的人工晶格包括框架和梁结构，其框架形式包括体心结构、六面体、六棱柱和四面体，梁结构的形式包括余弦梁、斜梁和双梁，其分布形式包括三角形、十字形和类球面。
20.所述的具有双/多稳态力学特征的人工晶格，其力学属性的变化来源于外界载荷或外界物理场，人工晶格的力学属性通过外界载荷促使晶格发生稳态转变，或者通过外界物理场施加作用力，主动驱动晶格发生转变，外界物理场包括磁场和电场。
21.所述的具有双/多稳态力学特征的人工晶格的阵列为具有同一力学属性晶格的均一阵列或多种晶格的非均一阵列。
22.本发明的有效增益是：在外界载荷作用下，与外界载荷作用的微柱阵列，通过末端平面应力驱动互连网络结构功能层中的硬相与软性旋转使得承载面积增大，降低表面传递来应力大小；继而，当表面应力通过互连网络结构功能层传递到力学人工结构功能层时，能够在载荷或者外界物理场的作用下驱动发生人工晶格力学属性的重构，扩大应力的分布范围，降低应力。
23.本发明通过结构动态变化改善应力分布、传递及均化效果，提升传统微纳复合结构表面易因应力集中造成局部破坏与失稳，为微纳结构功能表面设计提供了新的设计与制造思路，有助于提高功能表面的抗损伤容限，适用于飞行器防结冰/电子隐身蒙皮、太阳能电池板自清洁表面、水下航行器减阻结构的耐损伤功能表面研发。
附图说明
24.图1为本发明实施例1的结构示意图。
25.图2为本发明实施例1力学人工结构功能层的示意图。
26.图3为本发明实施例1中微纳复合结构功能层形态改变的示意图。
27.图4为本发明实施例1中互连网络结构功能层硬相与软相旋转的示意图。
28.图5为本发明实施例1中第一人工晶格示意图；其中图(a)为第一人工晶格未变化前示意图，图(b)为第一人工晶格变化后示意图。
29.图6为本发明实施例2的结构示意图.
30.图7为本发明实施例2力学人工结构功能层的示意图。
31.图8为本发明实施例2中第二人工晶格示意图；其中图(a)为第二人工晶格未变化前示意图，图(b)为第二人工晶格变化后示意图。
32.图9为本发明实施例3中主动型人工晶格在外界场驱动下变化示意图示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
34.实施例1，参照图1，一种用于增强功能表面耐损伤性能的多层级微纳力学结构，包括依次连接在一起的微纳复合结构功能层1、互连网络结构功能层2和力学人工结构功能层3；
35.参照图2，所述的微纳复合结构功能层1为发挥表面功能的微柱阵列结构；为了实现一定的表面功能，需要在表面设计具体的微柱4阵列，微柱4阵列为微圆柱均一阵列，微圆柱的直径在0.5～50μm；
36.参照图3，通过纳米粒子体相分布技术使得纳米粒子5不对称部分分布在微柱4上下两侧，使得底部浓度高，在外界载荷的作用下，微柱4能够发生弯曲变形，发生形态的改变，进而改变内部应力状态，避免因为单个微柱4应力过大而发生断裂，其中纳米粒子5的形式包括零维、一维、二维，如：磁性纳米氧化铁粒子、磁性硫化铁纳米线、磁性石墨烯等。
37.参照图4，所述的互连网络结构功能层2为硬相6与软相7互连结构，用于连接微纳复合结构功能层1与力学人工结构功能层3，且硬相6之间带有连接，形成不稳定平行四边形，在微柱4末端的平面应力的作用下发生旋转运动，从而增大受载面积，降低微柱4末端应力。
38.考虑微柱4与互连网络结构功能层2的匹配关系，互连网络结构功能层2的硬相6特征尺寸在500μm左右，本实施例中，硬相6平面形状为矩形，软相7形状为平行四边形；微柱4末端连接在互连网络结构功能层2的硬相6上。
39.参照图1、图5，所述的力学人工结构功能层3为具有力学属性可重构的第一人工晶格8组成的阵列结构，第一人工晶格8由体心结构框和十字交叉余弦梁组成，能够在外力的作用下发生第一人工晶格8结构转变，当载荷超过稳态结构阈值时，第一人工晶格8结构发生转变，此时，余弦梁抵住下端支撑，造成第一人工晶格8的弹性模量上升，应变能密度增加，使得承载单元力学属性提升。
40.所述的力学人工结构功能层3由均一的第一人工晶格8组成，在互连网络结构功能层2局部高应力载荷的作用下，当应力超过阀值时，第一人工晶格8结构发生稳态转变，第一
人工晶格8局部力学属性改变，使得承载力更多的分散到未承载单元上，进一步提升结构耐损伤性能。
41.实施例2，参照图6，一种用于增强功能表面耐损伤性能的多层级微纳力学结构，包括依次连接在一起的微纳复合结构功能层1、互连网络结构功能层2和力学人工结构功能层3；
42.参照图7，所述的微纳复合结构功能层1为发挥表面功能的微柱阵列结构；为了实现一定的表面功能，需要在表面设计具体的微柱4阵列，微柱阵列为微圆柱均一阵列，微圆柱的直径为0.5～100μm；
43.通过纳米粒子体相分布技术使得磁性的纳米粒子5不对称分布在微柱4上下两侧，使得底部浓度高，在外界载荷的作用下，微柱4能够发生弯曲变形，发生形态的改变，进而改变内部应力状态，避免因为单个微柱4应力过大而发生断裂。
44.所述的互连网络结构功能层2为硬相6与软相7互连结构，用于连接微纳复合结构功能层1与力学人工结构功能层3，能在微柱4末端的平面应力的作用下发生旋转运动，从而增大受载面积，降低圆柱4末端应力，其中硬相6与软相7由均一材料中的纳米粒子体相结构化分布形成，其造成平面的结构化刚度，使得部分区域刚度高而部分区域刚度低，从而形成硬相6与软相7互连网络结构。
45.考虑微柱4与互连网络结构功能层2的匹配关系，互连网络结构功能层2的硬相6特征尺寸在500μm左右，硬相6平面形状为矩形，软相7形状为平行四边形；微柱4末端连接在互连网络结构功能层2的硬相6上；
46.参照图7、图8，所述的力学人工结构功能层3为具有力学属性可重构的第二人工晶格9组成的阵列结构；第二人工晶格9由立方体框和十字交叉余弦梁组成，能够在外力的作用下发生结构转变，当载荷超过稳态结构阈值时，第二人工晶格9结构发生转变，两个第二人工晶格9抵靠在一起，造成第二人工晶格9的弹性模量上升，应变能密度增加，使得承载单元力学属性提升。
47.所述的力学人工结构功能层3由均一第二人工晶格9组成，在互连网络结构功能层2局部高应力载荷的作用下，当应力超过阀值时，第二人工晶格9结构发生稳态转变，释放应变，并抵靠在立方体框的支撑柱上，第二人工晶格9结构局部力学属性提升，使得承载力更多的分散到低应变能单元上，从而使得高应力处应力降低，进一步提升结构耐损伤性能。
48.实施例3，参照图9，本实施例是对实施例2的改进，力学人工结构功能层3的由主动型人工晶格10组成，其材料包括形状记忆聚合物(smp)、响应型水凝胶，在施加外界场后能够实现主动型人工晶格10结构的改变，引起主动型人工晶格10力学属性的转变，进而造成力学人工结构功能层3的重构。

技术特征：

1.一种用于增强功能表面耐损伤性能的多层级微纳力学结构，其特征在于：包括连接在一起的微纳复合结构功能层(1)、互连网络结构功能层(2)和力学人工结构功能层(3)；所述的微纳复合结构功能层(1)为发挥表面功能的微柱阵列结构，用于实现所需的表面功能，实现材料表面改性；所述的互连网络结构功能层(2)为硬相(6)与软相(7)互连结构，用于连接微纳复合结构功能层(1)与力学人工结构功能层(3)，且硬相(6)之间由软相(7)材料连接，形成不稳定平行四边形，在微柱(4)末端平面应力的作用下，自发旋转或重构，从而增大载荷承载面积，降低微柱(4)末端应力与应变的表观数值；所述的力学人工结构功能层(3)为具有力学属性可重构的人工晶格组成的阵列结构，通过人工晶格的时空域重构，优化应力传递路径与应变能密度，降低功能表面的应力集中。2.根据权利要求1所述的一种用于增强功能表面耐损伤性能的多层级微纳力学结构，其特征在于：所述的微纳复合结构功能层(1)的微柱(4)结构形式包括圆柱、棱柱和圆锥。3.根据权利要求1所述的一种用于增强功能表面耐损伤性能的多层级微纳力学结构，其特征在于：所述的微柱(4)内不均匀分布有功能性的纳米粒子(5)，纳米粒子(5)包括零维量子点、一维纳米线和二维纳米片，不同的分布方式导致微柱(4)各区域力学属性不均匀，使得微柱(4)在外界载荷的作用下发生不同的形态的改变，形态变化包括发生弯曲、旋转、扭转，提升微柱(4)阵列的抗断裂性能。4.根据权利要求1所述的一种用于增强功能表面耐损伤性能的多层级微纳力学结构，其特征在于：所述的微柱(4)尺寸在亚微米或微米级别。5.根据权利要求1所述的一种用于增强功能表面耐损伤性能的多层级微纳力学结构，其特征在于：所述的互连网络结构功能层(2)中的硬相(6)与软相(7)的平面形状包括矩形、正方形、椭圆形和三角形。6.根据权利要求1所述的一种用于增强功能表面耐损伤性能的多层级微纳力学结构，其特征在于：所述的互连网络结构功能层(2)中的硬相(6)与软相(7)尺寸在亚微米或微米级别。7.根据权利要求1所述的一种用于增强功能表面耐损伤性能的多层级微纳力学结构，其特征在于：所述的力学属性可重构的人工晶格为具有双/多稳态力学特征的人工晶格，双/多稳态力学特征的人工晶格能够在载荷的作用下发生力学状态的转变，实现弹性模量和应变能密度的变化。8.根据权利要求7所述的一种用于增强功能表面耐损伤性能的多层级微纳力学结构，其特征在于：所述的具有双/多稳态力学特征的人工晶格包括框架和梁结构，其框架形式包括体心结构、六面体、六棱柱和四面体，梁结构的形式包括余弦梁、斜梁和双梁，其分布形式包括三角形、十字形和类球面。9.根据权利要求7所述的一种用于增强功能表面耐损伤性能的多层级微纳力学结构，其特征在于：所述的具有双/多稳态力学特征的人工晶格，其力学属性的变化来源于外界载荷或外界物理场，人工晶格的力学属性通过外界载荷促使晶格发生稳态转变，或者通过外界物理场施加作用力，主动驱动晶格发生转变，外界物理场包括磁场和电场。10.根据权利要求7所述的一种用于增强功能表面耐损伤性能的多层级微纳力学结构，其特征在于：所述的具有双/多稳态力学特征的人工晶格的阵列为具有同一力学属性晶格
的均一阵列或多种晶格的非均一阵列。

技术总结

一种用于增强功能表面耐损伤性能的多层级微纳力学结构，包括连接的微纳复合结构功能层、互连网络结构功能层和力学人工结构功能层；微纳复合结构功能层为发挥表面功能的微柱阵列结构，互连网络结构功能层为硬相与软相互连结构，硬相之间由软相材料连接，形成不稳定平行四边形，在微柱末端平面应力的作用下，自发旋转或重构，降低微柱末端应力与应变的表观数值；力学人工结构功能层为具有力学属性可重构的人工晶格组成的阵列结构，通过人工晶格的时空域重构，优化应力传递路径与应变能密度，降低功能表面的应力集中；本发明引入动态结构，提高表面功能层的耐损伤容限，提升功能表面的服役周期、保障功能表面的性能。保障功能表面的性能。保障功能表面的性能。