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轻质点阵材料

2018-01-19 16:20:00 yh 成果展示

一、研究背景

对于航空/航海/航天大构件的结构设计,减轻结构质量、提高结构的承载效率和功能效率是非常重要的设计要求。提高结构的承载效率就是要提高结构材料的比刚度和比强度,同时要使得材料能满足结构设计的特定力学要求。提高结构的功能效率,则要提高结构的功能密度,用更少的质量实现更多的功能。为了满足这两点要求,各国的力学和材料工作者对新型的结构材料进行着不断的探索。点阵材料是近年来出现的一类新颖轻质多功能材料,有高孔隙率、超轻、高比强、高比刚度、高强韧、高能量吸收等优良机械性能,以及减震、散热、吸声、电磁屏蔽、渗透性优等特殊性质,它兼具功能和结构双重作用,是一种性能优异的多功能工程材料。发展具有轻质、高效、高孔隙率的点阵复合材料结构,是推进材料和装备的轻量化、精确化、高效化,实现节能、净化的关键措施。有关点阵材料的研究是我们在诸多领域内都需要积极面对的高新技术前沿。

二、主要技术内容

1. 轻质点阵材料的优化设计方法

深入研究了轻质点阵材料的本构关系、破坏准则、弯曲效应,提出了含缺陷点阵力学模型,进行了振动、爆炸冲击等动态性能分析,开展了致动和隐身、防热等多功能化研究,建立了轻质、隐身、致动、防隔热多功能一体化设计方法。

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2.点阵复合材料制备工艺

探索了点阵夹层结构制备工艺,制备出二维格栅和三维点阵复合材料平板、柱体和圆柱壳等多种结构形式的点阵复合材料结构样件,材料体系包括金属基、树脂基和陶瓷基。成功研制出全自动三维编织机,实现了四棱锥点阵夹层板制备的机械化。

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3.力学和物理性能测试与表征方法

开展了点阵材料平压、侧压、剪切、低速冲击、高温、振动,隐身性能的测试和实验,建立了点阵材料力学和其他物理性能表征的评价方法。

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三、主要创新点

(1)    二维格栅点阵材料及大尺寸点阵圆柱壳制备工艺。

(2)    三维点阵复合材料平板和圆柱壳制备工艺。

(3)    轻质、隐身、致动、防隔热等多功能一体化设计方法。

(4)    点阵复合材料力学和物理性能测试与表征方法。

四、技术成熟性和可靠性

    在国家863计划,973计划,国家自然科学基金重点项目,某预研项目等国家重点项目的资助下,本课题组对点阵材料的基础理论问题进行了深入的研究,掌握了点阵复合材料的优化设计方法,成功制备出性能优异的点阵材料结构样件。通过大量的实验测试和工艺摸索,相关的设计方法和制备技术已经逐渐成熟,所完成的工作得到了项目验收专家的高度评价,目前已经进入工程应用实施阶段。

五、技术成熟型和可靠性

1995年开始,美国国防高等研究署和海军研究局共同资助哈佛大学、剑桥大学和麻省理工学院主持的有关超轻金属结构的大型项目,从2000年以来开始对点阵材料及其夹层结构的研发提供强力资助。美国Virginia 大学、英国剑桥大学与美国加州大学就多种金属点阵周期性夹层结构的制造技术、力学特性、结构设计与结构优化进行了综合研究。

西安交通大学课题组和本项目组开展合作,也对点阵材料的多功能性能(力学、热、声等)开展了较广泛的研究,但目前大多数工作还侧重于理论与数值分析。

六、国内外相关技术现状与趋势

由于点阵材料的复杂制造工艺,目前国内有关部门的研究工作基础处于设计分析阶段,制造工艺还处于探索阶段。随着装备制造业对结构轻量化的需求,点阵材料相关技术已由理论设计和实验室小尺寸样件制备逐步向大型工程结构的规模化制造方向发展。

七、市场状况

1.市场需求与结构

轻质点阵材料主要市场方面的应用体现在航空/航海/航天大构件的结构设计以及部分军工武器等制备方面。这种材料重要的作用,是替代原有重量较大的钢板结构件和价格较为昂贵的铝合金钛合金结构件,有经济效益方面的巨大优势!

该种材料格被NASA Langley 中心的研究人员列入到未来航天结构技术发展的六大方向之一的低成本结构技术之内,在航天器燃料储箱、机身等大型复杂部件上具有广阔的应用前景,涉及的产品包括级间段、有效载荷适配器、运载飞船整流罩,飞机机身舱段、翼盒、直升机垂尾梁、空间望远镜镜身等。

2.竞争状况

    国内材料科学领域的学者多有研究和发展,而我们在材料设计和制备工艺方面有独到的技术,和广大的兄弟单位是竞合的关系,可以综合的满足更为广泛的产品需求。

八、产业化方案

1.目标

合作建立联合产业化公司,要求是板材制造能力较强的厂家,或者自身为新材料使用者。

2.投资估算

材料制备所需的精密机加工,切割和研磨设备等,并建立设计开发队伍进行服务工作。

投资估算:1000万。