本發(fā)明涉及仿生結(jié)構(gòu)工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種仿槍蝦螯部斷層結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高強耐熱沖擊復(fù)合結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

近年來，隨著深空、深海、深地等極端環(huán)境探測領(lǐng)域的快速發(fā)展，高端設(shè)備中的關(guān)鍵部件，如發(fā)動機的工作葉片、渦輪盤、燃燒室等，迫切需求該類部件兼具輕質(zhì)、高強特征且耐熱沖擊、抵抗斷裂破壞等性能，這也已成為國內(nèi)外學者廣泛關(guān)注的研究熱點。但是，目前應(yīng)用在該領(lǐng)域的相關(guān)關(guān)鍵部件多數(shù)僅具有輕質(zhì)高強特性而普遍存在耐熱沖擊性能差的缺陷，由此已經(jīng)成為此類裝備發(fā)展的瓶頸。

而自然界的生物為這一問題的解決提供了新思路。生活在海洋中的槍蝦，可以通過快速閉合螯部，產(chǎn)生空化氣泡將獵物瞬間擊暈或擊斃。研究表明，當槍蝦瞬間快速閉合螯部發(fā)動攻擊時，會沖擊周邊的水體產(chǎn)生氣泡。這些氣泡在周圍水體的壓力下距離螯部尖端約3mm處發(fā)生瞬間爆裂，產(chǎn)生空穴現(xiàn)象，進而產(chǎn)生4500-4700℃的高溫。螯部在水中的快速閉合運動要求其具備輕質(zhì)和高強的特性，而空穴現(xiàn)象產(chǎn)生的瞬間高溫則要求螯部具有耐熱沖擊的功能。由此，槍蝦螯部的生物結(jié)構(gòu)為設(shè)計一種兼具輕質(zhì)高強耐熱沖擊功能特征的仿生復(fù)合結(jié)構(gòu)提供了天然的生物藍本。

試驗觀察發(fā)現(xiàn)，槍蝦螯部斷層大致可分為四層，從外到內(nèi)分別是最外層的礦化層，第二層的豎向片層復(fù)合結(jié)構(gòu)，第三層螺旋夾板層，第四層的橫向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)。這四層結(jié)構(gòu)不同，厚度各異，功能也不同。作為直接接觸外部環(huán)境的最外部的硬質(zhì)礦化層具有抵抗外部機械沖擊，保護內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用；第二層由大量豎向纖維片層組成，片層間構(gòu)成空腔，這種結(jié)構(gòu)不僅顯著減輕了整體重量，還使其具備了較強的抗壓性能，同時還有效阻隔熱量的傳遞。第三層為螺旋夾板層，由若干個纖維束單元交錯堆砌而成，這種交錯堆砌結(jié)構(gòu)有效造成裂紋偏轉(zhuǎn)進而阻斷裂紋的擴展，提高了止裂性能。第四層為多薄層疊加而形成的橫向復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)，層層疊加使第四層整體具備了足夠的豎向剛度。因此，槍蝦螯部這種優(yōu)化的斷層結(jié)構(gòu)為其適應(yīng)于快速閉合運動、承受機械沖擊與熱沖擊的捕食運動模式提供了有效保障。

綜觀上述極端工作環(huán)境下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研究現(xiàn)狀，以及槍蝦螯部斷層的特殊生物結(jié)構(gòu)功能特征，急需一種仿生輕質(zhì)高強耐熱沖擊的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決當今工作在極端環(huán)境下的設(shè)備，其相關(guān)關(guān)鍵部件多數(shù)僅具有輕質(zhì)高強特性而普遍存在耐熱沖擊性能差的缺陷，而提供一種仿生輕質(zhì)高強耐熱沖擊復(fù)合結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明包含外部保護層、豎向仿生隔熱抗壓層、仿生止裂層、橫向仿生支撐層。外部保護層、豎向仿生隔熱抗壓層、仿生止裂層、橫向仿生支撐層依次粘合在一起，并且外部保護層、豎向仿生隔熱抗壓層、仿生止裂層、橫向仿生支撐層的厚度比為1:6:6:1。

所述的外部保護層為致密的整體結(jié)構(gòu)，能夠有效保護各層結(jié)構(gòu)，同時起到防水作用。

所述的豎向仿生隔熱抗壓層由若干個豎向仿生柵格層疊加粘合而成，豎向仿生柵格層這種多空腔的柵格結(jié)構(gòu)，具有很強的抗壓性能，同時可以有效阻隔環(huán)境熱量。由于空腔結(jié)構(gòu)的存在，使豎向仿生柵格層質(zhì)量較輕。這里，豎向仿生柵格層的寬度與相鄰空腔的寬度比例為1：1，豎向仿生柵格層的長度和豎向仿生柵格層的寬度比為2：1。

所述的仿生止裂層由若干個仿生止裂層構(gòu)成單元逐層排列粘合而成，仿生止裂層中的每一層均由仿生止裂層構(gòu)成單元依次排列構(gòu)成，并且仿生止裂層中的每一層中的仿生止裂層構(gòu)成單元排列方式相同，并相對于下面一層中的仿生止裂層構(gòu)成單元在法線方向旋轉(zhuǎn)了一定角度，這里，旋轉(zhuǎn)的角度范圍為15°-45°。這種單個單元的交錯堆砌結(jié)構(gòu)可以有效的阻止整體結(jié)構(gòu)的斷裂。

所述的橫向仿生支撐層由若干個橫向仿生支撐層構(gòu)成單元逐層粘合而成，橫向仿生支撐層構(gòu)成單元由質(zhì)量輕、剛度大的碳纖維復(fù)合材料制作，多個橫向仿生支撐層構(gòu)成單元疊加在一起，使橫向仿生支撐層擁有良好的支撐性能，使整個復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學性能更加完善。

本發(fā)明的工作過程和原理：

在具體的實施過程中，外部保護層作為直接接觸外部環(huán)境的部分，對復(fù)合結(jié)構(gòu)起到直接的防護作用，豎向仿生隔熱抗壓層因其具有獨特的豎向柵格層可以有效抵抗壓力載荷，同時起到隔熱作用，當機械沖擊載荷或熱載荷過大時，復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部有可能產(chǎn)生局部疲勞裂紋，仿生止裂層具有獨立仿生止裂層構(gòu)成單元，并且獨立仿生止裂層構(gòu)成單元的交錯堆砌結(jié)構(gòu)使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，有效抑制裂紋擴展，避免復(fù)合結(jié)構(gòu)的連續(xù)斷裂。橫向仿生支撐層由若干剛度較大的仿生支撐層構(gòu)成單元疊加組成，起到良好的支撐作用。這里外部保護層、豎向仿生隔熱抗壓層、仿生止裂層、橫向仿生支撐層的結(jié)構(gòu)、作用均不相同，這種仿生多層復(fù)合結(jié)構(gòu)保證了復(fù)合結(jié)構(gòu)同時具備輕質(zhì)高強耐熱沖擊并抵抗裂紋擴展的防護功能。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明以輕質(zhì)高強耐熱沖擊性能良好的槍蝦螯部為仿生原型，根據(jù)其螯部斷層結(jié)構(gòu)進行仿生設(shè)計，本發(fā)明可以同時具有輕質(zhì)高強耐熱沖擊能力強的功能特征。

2、本發(fā)明獨特的仿生止裂層設(shè)計可以有效阻斷復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)由于熱疲勞和機械載荷作用而產(chǎn)生的裂紋擴展，進而提高了結(jié)構(gòu)抵抗斷裂破壞的能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1的主視圖。

圖3為豎向仿生柵格層局部視圖。

圖4為仿生止裂層的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為圖4的俯視圖。

圖6為橫向仿生支撐層的局部視圖。

其中：1-外部保護層；2-豎向仿生隔熱抗壓層；201-豎向仿生柵格層；202-單個柵格結(jié)構(gòu)寬度；203-單個柵格結(jié)構(gòu)長度；204-相鄰空腔間隔寬度；3-仿生止裂層；301-仿生止裂層構(gòu)成單元；4-橫向仿生支撐層；401-橫向仿生支撐層單元。

具體實施方式

請參閱圖1、圖2、圖3、圖4、圖5及圖6所示，本實施例包含外部保護層1、豎向仿生隔熱抗壓層2、仿生止裂層3和橫向仿生支撐層4，外部保護層1、豎向仿生隔熱抗壓層2、仿生止裂層3、橫向仿生支撐層4依次粘合在一起，并且外部保護層1、豎向仿生隔熱抗壓層2、仿生止裂層3、橫向仿生支撐層4的厚度比為1:6:6:1。

所述的外部保護層1為致密的硬質(zhì)整體結(jié)構(gòu)，能夠有效保護各層結(jié)構(gòu)，同時起到防水作用。

所述的豎向仿生隔熱抗壓層2由若干個豎向仿生柵格層201疊加粘合而成，豎向仿生柵格層201是由豎向仿生柵格層201這種多空腔的柵格結(jié)構(gòu)，具有很強的抗壓性能，同時可以有效阻隔環(huán)境熱量。由于空腔結(jié)構(gòu)的存在，使豎向仿生柵格層201質(zhì)量較輕。這里，單個豎向仿生柵格層201寬度202與相鄰空腔間隔寬度204比例為1：1，豎向仿生柵格層201的長度203和豎向仿生柵格層201的寬度202比為2：1。

所述的仿生止裂層3由若干個仿生止裂層構(gòu)成單元301逐層排列粘合而成，如圖4、圖5所示，仿生止裂層3中的每一層均由仿生止裂層構(gòu)成單元301依次排列構(gòu)成，并且仿生止裂層3中的每一層中的仿生止裂層構(gòu)成單元301排列方式相同，并相對于下面一層中的仿生止裂層構(gòu)成單元301在法線方向旋轉(zhuǎn)了一定角度，這里，旋轉(zhuǎn)的角度范圍為15°-45°。這種單個單元的交錯堆砌結(jié)構(gòu)可以有效阻止整體結(jié)構(gòu)的斷裂。

所述的橫向仿生支撐層4由若干個橫向仿生支撐層構(gòu)成單元401逐層粘合而成，如圖6所示，橫向仿生支撐層構(gòu)成單元401由質(zhì)量輕、剛度大的碳纖維復(fù)合材料制作，多個橫向仿生支撐層構(gòu)成單元401疊加在一起，使橫向仿生支撐層4擁有良好的支撐性能，使整個復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學性能更加完善。

在具體的實施過程中，外部保護層1作為直接接觸外部環(huán)境的部分，對復(fù)合結(jié)構(gòu)起到直接的防護作用，豎向仿生隔熱抗壓層2因其具有獨特的豎向柵格層201可以有效抵抗壓力載荷，同時起到隔熱作用，當機械沖擊載荷或熱載荷過大時，復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部有可能產(chǎn)生局部疲勞裂紋，仿生止裂層3具有獨立仿生止裂層構(gòu)成單元301，并且獨立仿生止裂層構(gòu)成單元301的交錯堆砌結(jié)構(gòu)使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，有效抑制裂紋擴展，避免復(fù)合結(jié)構(gòu)的連續(xù)斷裂。橫向仿生支撐層4由若干剛度較大的仿生支撐層構(gòu)成單元401疊加組成，起到良好的支撐作用。這里外部保護層1、豎向仿生隔熱抗壓層2、仿生止裂層3、橫向仿生支撐層4的結(jié)構(gòu)、作用均不相同，這種仿生多層復(fù)合結(jié)構(gòu)保證了復(fù)合結(jié)構(gòu)同時具備輕質(zhì)高強耐熱沖擊并抵抗裂紋擴展的防護功能。