一种高承压三维联通多级孔结构及其制备方法

1.本发明属于结构设计技术领域，尤其涉及一种高承压三维联通多级孔结构及其制备方法。


背景技术：

2.拉压剪扭弯是工程应用中常规的受力模式，其中，在实现减重轻量化的同时提高抗压承载能力是航空、航天、运输等特定工程应用的场景需求。与致密的实体结构相比，多孔结构作为实现轻量化设计的有效方式之一，能够降低材料的弹性模量，避免应力屏蔽效应的产生，同时进一步减轻质量、节约材料和降低成本。但是，若多孔结构的孔径设置过小会阻碍介质的扩散速率，且对于具有较大尺寸物质分子的传输，单一孔径体系会阻碍分子进入其孔道，即使进入孔道分子扩散的路径也会受到限制，对多孔结构造成损耗或堵塞，极大地降低介质运输效率、吸附效率和吸附容量等。
3.在实际应用中，多级孔结构的存在有利于减少物质分子的传质阻力、提高传质速率，缩短它们在多孔结构内部的扩散路径，使不同尺度的介质能迅速扩散或吸附，利于不同介质间的交换、输送。此外，在生物医疗领域使用多孔结构还可以获得与人骨力学性能相似的多孔植入体，且当毫米和微米不同尺寸孔配合时还有利于成骨细胞的生长，因此多级孔结构还是生物医用植入过程的良好适配结构。
4.然而，随着孔隙率的提高，多级孔的存在虽然使得结构模量降低、物质传输效率更高，但也会显著削弱材料的力学性能，其抗压强度会呈幂次级降低，两者无法同时满足高承载能力与轻量化应用场景的使用要求。
5.此外，为保证物质高效传输的多孔结构多设计为由多杆件组成的点阵结构，其点阵的单元胞多为杆件连接的对称结构，在受力时杆件发生弯曲，其交界处易于产生应力集中，因此材料的利用率不高，无法充分发挥点阵多孔结构的高比刚度、比强度的特性，承载能力差。
6.因此，设计并构建一种具有高效承载、流动传质等多样化功能的多级孔结构，对于实现高承载结构轻量化具有重要意义。


技术实现要素：

7.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种高承压三维联通多级孔结构及其制备方法。
8.这种高承压三维联通多级孔结构，包括：若干基元胞，基元胞包括竖向围板和横向围板，相邻两道竖向围板管壁的上下部之间均设有横向围板，横向围板中部的上下两侧均设有缺口；每道横向围板对应的圆心角均为90
°
；
9.基元胞相互拼接形成三维联通多级孔结构，三维联通多级孔结构包括横梁通道和立柱通道，横梁通道和立柱通道内部中空，每段横梁通道中部环向开有四个孔洞，所述孔洞由横向弧面板中部的缺口拼接形成；每段横梁通道两端垂直连接立柱通道的侧壁，立柱通
道的上下两端贯通；横梁通道和立柱通道围合形成在平面上形成空腔，三维联通多级孔结构内数个空腔相互贯通；
10.横梁通道、立柱通道、横梁通道中部的孔洞和空腔构成多级孔结构。
11.作为优选：每个基元胞内包括四或六道竖向围板，每个基元胞内横向围板在水平面上围合形成正方形、矩形或六边形；每个基元胞内包括四道竖向围板时，每道竖向围板对应的圆心角均为90
°
；每个基元胞内包括六道竖向围板时，每道竖向围板对应的圆心角均为120
°
。
12.作为优选：横梁通道之间围合形成空腔，空腔为正方形、矩形或六边形，相邻两道立柱通道和与其相连的两道横梁通道围合形成周向空腔，周向空腔为正方形或矩形。
13.作为优选：每个基元胞内设有四道竖向围板，竖向围板上设有支撑板，支撑板的两个端面分别连接竖向围板的两个端面上；支撑板为折板或弧形折板，所述基元胞拼接形成的三维联通多级孔结构的立柱通道内通长地设有交叉板状支撑。
14.作为优选：单个基元胞的边长小于10mm，基元胞内竖向围板和横向围板的厚度为0.1～0.75mm；多级孔结构中每级孔的直径大于等于18μm。
15.作为优选：通过带孔隙结构的平板替换所述竖向围板和横向围板，基元胞拼接形成的三维联通多级孔结构由竖向平板和横向平板组成。
16.这种高承压三维联通多级孔结构的制备方法，包括以下步骤：
17.步骤一、通过建模软件编辑设计基元胞；
18.步骤二、根据需要，在建模软件中将步骤一得到的基元胞进行阵列，拓展成三维联通多级孔结构；
19.步骤三、对建立的三维模型进行切片处理，设定打印轨迹；
20.步骤四、通过材料喷射或粉末床熔融3d打印系统，对所述三维联通多级孔隙结构进行逐层制造，直至打印得到最终成形坯体。
21.作为优选，步骤二中：根据需要，将基元胞阵列形成三维联通多级孔结构后，对三维联通多级孔结构的最外层进行补全，使所有竖向围板和横向围板均拼接为完整的横梁通道和立柱通道。
22.本发明的有益效果是：
23.1.本发明提供的三维联通多级孔结构由多个立方体基元胞阵列分布而成，在承受载荷时，多个中空通道同时发生变形，载荷可由多个中空结构的横梁与立柱共同承担，同时在立柱管道内部设置有交叉板状支撑，其应力分布相比于由杆件或板件连接而成的同质量的点阵结构更加均匀，也具有更优异的力学性能，尤其是在模量、强度和能量吸收上具有优势。
24.2.本发明中三维联通多级孔结构通道外壁设置的孔洞以及各通道围合形成的不同大小的多级孔结构；此结构在减轻三维结构重量的同时兼具了承受轴向载荷的结构作用和物质的传输作用，在需要为物质迁移提供路径时，该多孔结构促进了物质在孔道向内的迁移和浸润，同时保证其有较高的力学性能，因此可以广泛利用于航空航天或是生物医用等多种领域。
25.3.本发明采用材料喷射或粉末床熔融成型技术制备孔隙率为60％～90％的高承压三维联通多级孔结构，产品的外形、孔隙率、孔径大小精准可控，可基于实际需求完成多
孔材料的精确制备；其制备工艺简单，可生产从几十微米到几百厘米尺寸范围的多孔块体材料，适于大规模工业生产要求，同时，特别针对需同时满足多尺度介质传输及高承压应用场景使用的构件，本发明的多级孔结构可长期稳定服役。
附图说明
26.图1a为本发明的一种基元胞结构；
27.图1b为图1a对应的简单阵列形成的三维联通多级孔结构；
28.图1c为图1b的俯视图；
29.图1d为图1c的剖视图；
30.图2为材料喷射方法打印的图1b结构的陶瓷实体模型。
31.图3a为本发明径向立柱中心未设置交叉板状支撑的又一种单元胞结构；
32.图3b为图3a对应的简单阵列形成的三维联通多级孔隙结构；
33.图3c为图3b的俯视图；
34.图3d为图3c的剖视图；
35.图4为材料喷射方法打印的图3b结构的陶瓷实体模型；
36.图5为本发明的一种基元胞结构对应的设计参数示意图；
37.图6为本发明的一种基元胞结构不同相对密度下的极限压强曲线。
38.附图标记说明：竖向围板1、支撑板11、横向围板2、立柱通道3、交叉板状支撑31、横梁通道4、孔洞41。
具体实施方式
39.下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
40.实施例一
41.作为一种实施例，如图1a至图5所示，高承压三维联通多级孔结构，包括：若干基元胞，基元胞包括竖向围板1和横向围板2，相邻两道竖向面管壁的上下部之间均设有横向围板2，横向围板2中部的上下两侧均设有缺口；每道横向围板2对应的圆心角均为90
°
；
42.每个基元胞内包括四或六道竖向围板1，每个基元胞内横向围板2在水平面上围合形成正方形、矩形或六边形；每个基元胞内包括四道竖向围板1时，每道竖向围板1对应的圆心角均为90
°
；每个基元胞内包括六道竖向围板1时，每道竖向围板1对应的圆心角均为120
°
。
43.当每个基元胞内横向围板2在水平面上围合形成正方形或矩形时，每个基元胞内设有四道竖向围板1，还可以在基元胞对应立柱通道3的竖向围板1上设有支撑板11，支撑板11的两个端面分别连接面结构的两个端面上；所述基元胞拼接形成的三维联通多级孔结构的立柱通道3内通长地设有交叉板状支撑31，交叉板状支撑31可以为十字形、交叉平板，也可以为带有弧度的板，如扇叶形等弯曲交叉结构。
44.还可以通过带孔隙结构的平板替换所述竖向围板1和横向围板2，使基元胞拼接形成的三维联通多级孔结构由竖向平板和横向平板组成。
45.基元胞相互拼接形成三维联通多级孔结构，三维联通多级孔结构包括横梁通道4和立柱通道3，横梁通道4和立柱通道3内部中空，每段横梁通道4中部环向开有四个孔洞41，所述孔洞41由横向围板2中部的缺口拼接形成；每段横梁通道4两端垂直连接立柱通道3的侧壁，立柱通道3的上下两端贯通；横梁通道4和立柱通道3围合形成在平面上形成空腔，三维联通多级孔结构内数个空腔相互贯通。横梁通道4和立柱通道3的横截面形状不局限于圆形，也可以为多边形，具体为中心对称的形状，只要可以被基元胞拼接后得到即可，因此竖向围板1和横向围板2的形状也不局限于弧板，也可以为折板。
46.还可以在立柱通道3和横梁通道4交界处开孔贯通，使立柱通道3和横梁通道4连接，形成直角联通孔隙结构且相互贯通，孔隙率为60～90％。
47.横梁通道4之间围合形成上下空腔，上下空腔为正方形、矩形或六边形，相邻两道立柱通道3和与其相连的两道横梁通道4围合形成周向空腔，周向空腔为正方形或矩形。三维联通多级孔结构上布设有微米量级的孔，单个基元胞的边长小于10mm，基元胞内竖向围板1和横向围板2的厚度为0.1～0.75mm；多级孔结构中每级孔的直径大于等于18μm。
48.横梁通道4、立柱通道3、横梁通道4中部的孔洞41和空腔构成多级孔结构。可满足多尺度介质传递需求，同时其结构的高承压能力又可完美适配在受压状态下使用的结构部件。例如，人体中髋关节、口腔种植体等医用植入领域，微米量级孔径有利于植入早期的细胞分化，便于骨组织的快速形成，能够有效降低界面的应力屏蔽；而毫米量级孔径则更有利于植入中后期的营养物质传递及骨细胞增殖，促进骨组织的快速生长。本发明的三维联通多级孔结构可完美适配多尺度介质传递需求，同时其结构的高承压能力又可在植入早期为患者提供保障，兼具良好的生物相容性及力学相容性。
49.本发明的目的是为了提供一种兼具高承压及多尺度介质传递能力的三维联通多级孔结构，该结构可解决现有多孔结构无法同时满足高强度与多尺度介质流通性双向要求的难题，特别是针对受压状态下使用的传质结构件，具有较好的适用性。
50.该多孔结构由具有多级孔隙单元的立方体结构作为内部单元胞拓展而来，每个单元胞有多个包含中空孔道的横梁通道4和立柱通道3组合而成，其中立柱通道3或板件为主要压力承载构件，横梁通道4或板件为横向力承载构件并与径向构件起相互支撑作用。考虑本发明结构主要以承受压力为主，受压构件的稳定性将对整体结构承载能力起决定性作用，结合欧拉公式，理想受压杆的临界压力为：
[0051][0052]
式中：f
cr
为压杆临界承载力；e为材料弹性模量；i为截面惯性矩，代表截面的抗弯刚度；l为压杆长度；μ为计算长度系数，代表杆件支撑情况，支撑越强，取值越小，如当两端固结时取0.5，两端铰接时取1.0。
[0053]
由欧拉公式可知，当材料一定时，受压杆的临界压力与其截面抗弯刚度成正比关系，与其计算长度成反比关系，即压杆抗弯能力越强、长度越短，其稳定临界载荷越大。基于此，本发明通过横梁通道4和立柱通道3的相互支撑作用将细长的受压构件即立柱通道3进行分割，大幅减少其计算长度，并通过增材制造一体化成型技术保证贯通节点的支撑强度，降低其计算长度系数的取值。同时，立柱通道3采用中空形式有效提高其截面抗弯效率，并在内部增设十字板进一步加强两个主轴方向的抗弯性能，有效增强压杆整体稳定性的同时
防止薄壁受压构件局部失稳，从而提高整体结构的受压承载能力。
[0054]
实施例二
[0055]
作为另一种实施例，实施例一中的高承压三维联通多级孔结构，其微米量级多级孔的精确成形以及一体化成型的强度需求对多级孔结构的成型工艺提出很高的要求，因此本发明基于材料喷射技术的增材制造工艺，可精确控制成形十微米量级多孔结构，有效实现该三维联通多级孔结构的介质传递能力，削弱其应力屏蔽效应，使其满足应用场景的机械强度及介质传递等性能要求。
[0056]
具体包括以下步骤：
[0057]
步骤一、通过使用建模软件对三维联通多级孔隙结构进行模型设计，根据立方体构型编辑设计多孔结构的基元胞，
[0058]
步骤二、将基元胞拓展成所需要的产品形状；并设置各级孔结构及各通道壁厚可精确打印的最小尺寸为18μm。
[0059]
步骤三，对建立的三维模型进行切片处理，设定打印轨迹。
[0060]
步骤四，通过采用材料喷射3d打印系统，对所述三维联通多级孔隙结构进行逐层制造，直至打印得到最终成形坯体；
[0061]
所采用的材料喷射技术打印精度为5～10μm，相比传统的添加造孔剂、发泡法、冷冻干燥等方法制备的多孔材料，孔隙率低、孔径和孔道贯通率较难控制、孔隙结构单一，且力学性能都比较差；该方法能够制造同时具有微观和宏观孔隙率的多尺度多孔材料，实现孔径尺寸可控，孔道结构可控，内部孔道完全贯通的三维多孔种植体结构，且其支撑材料为水溶性材质，三维联通多级孔结构内部的支撑材料易于去除，不仅能够提高材料利用率，节省时间，降低成本，还具有高效率、高精度和快速成型的优势。
[0062]
通过使用烧结炉对上述坯体进行脱脂烧结，经后处理最终得到具有三维联通多级孔结构的产品。
[0063]
实施例三
[0064]
作为另一种实施例，根据实施例二进行高承压三维联通多级孔结构的制备流程为：
[0065]
将含有直径为40nm的3y-tzp氧化锆纳米颗粒粉末的浆料作为原料，利用建模软件设计的基元胞结构见图1a。
[0066]
该基元胞边长为10mm，竖向围板1的半径r1为2.5mm，壁厚0.75mm，支撑板11的厚度为0.35mm，拼接后形成的交叉板状支撑31厚度t3为0.7mm，横向围板2半径r2为2mm，壁厚为0.3mm，横向围板2外壁对称设置的缺口形状为半圆形，其半径r3为0.8mm。
[0067]
将该基元胞经阵列拓展后形成图1b的多孔结构，其它各级孔隙结构见图1c和图1d，孔径分别为：a处长方形空腔的长和宽尺寸分别为2.5mm、4mm，b处空腔内接圆尺寸为3.9mm，立柱孔道内扇形孔隙c的内接圆直径为1mm。
[0068]
采用材料喷射打印机制备三维联通多级孔隙结构材料，层厚设置为8μm，逐层打印直至最终成型生坯。在70℃的干燥箱中保持20～30min烘干处理；而后将打印生坯在1400℃下保温1～3h，得到最终烧结产品见图2。
[0069]
制备的氧化锆三维联通多级孔隙结构的孔隙率为64％，平均密度为2.21g/cm3。
[0070]
本实施例中，氧化锆材质的三维联通多级孔隙结构其抗压强度为750mpa。
[0071]
实施例四
[0072]
作为另一种实施例，根据实施例二进行高承压三维联通多级孔结构的制备流程为：
[0073]
将含有直径为40nm的3y-tzp氧化锆纳米颗粒粉末的浆料作为原料，利用建模软件设计的基元胞结构见图3a，即不加支撑板11的基元胞。
[0074]
该基元胞边长为10mm，竖向围板1的直径为4mm，壁厚0.3mm，拼接后形成的立柱通道3中心无交叉板状支撑31，横向围板2的轴向孔道直径为4mm，壁厚为0.25mm，横向围板2外壁上、下对称设置缺口的形状为半圆形，其直径为1.6mm。
[0075]
将该基元胞经阵列拓展后形成图3b的多孔结构，其它各级孔隙结构见图3c和图3d，孔径分别为：a处正方形孔隙的空腔尺寸为4mm，b处同为边长尺寸为4mm的正方形空腔。
[0076]
采用材料喷射打印机制备三维联通多级孔隙结构材料，层厚设置为8μm，逐层打印直至最终成型生坯。进一步地，将打印完成后的生坯在70℃的干燥箱中保持20～30min烘干处理；而后将打印生坯在1400℃下保温1～3h，得到最终烧结产品见图4。如图4所示，制备的氧化锆三维联通多级孔隙结构的孔隙率为87％，平均密度为0.81g/cm3。
[0077]
本实施例中，氧化锆材质的三维联通多级孔隙结构其抗压强度为28mpa，显然，相比实施例三中的三维联通多级孔隙结构，孔隙率提高23％，轴向承载能力显著下降，力学相容性变差，证明了在立柱通道3内部设置十字交叉排列的薄板具有更优异的力学性能。
[0078]
实施例五
[0079]
作为另一种实施例，根据实施例三中的高承压三维联通多级孔结构的制备流程，改变其立柱通道3壁厚分别至0.1～0.5mm、横梁通道4壁厚分别至0.05～0.1mm、交叉板状支撑31为十字板，厚度分别至0.1～0.7mm，横梁通道4外壁上、下、左、右对称设置的孔洞41直径为1.6mm保持不变，形成相对密度范围5％～34％的8种结构，如下表所述，构型示意图见图5。
[0080][0081]
采用钛合金材料，利用有限元软件计算可得8种结构的极限承载力如图6所示，其极限承载压强可达40.5mpa～295.3mpa，具有较强的承压能力，近似与结构相对密度的1.1次方成正比关系。
[0082]
进一步地，针对实施例1中的结构，取消交叉板状支撑31，其它构型保持不变，即实施例2中的多孔结构，其相对密度下降25.6％，利用有限元软件计算得其极限承载力较有交叉板状支撑31结构下降34.2％，即比强度下降12％，表明交叉板状支撑31可有效提高结构抗压承载力，提高材料使用效率。
[0083]
实施例六
[0084]
作为另一种实施例，根据实施例三中的高承压三维联通多级孔结构的制备流程，选用钛合金粉末作为原料。采用粉末床熔融成型技术制备三维联通多级孔结构，扫描速率为600mm/s，层厚设置为25μm，逐层打印直至最终成型。进一步地，制备的钛合金三维联通多级孔结构的孔隙率为75％，平均密度为1.81g/cm3。
[0085]
本实施例中，tc4材质的三维联通多级孔结构抗压强度为590mpa，将其与实施例五中得到的图6中的曲线进行对比，符合该变化趋势。

技术特征：
1.一种高承压三维联通多级孔结构，其特征在于，包括：若干基元胞，基元胞包括竖向围板(1)和横向围板(2)，相邻两道竖向围板(1)的上下部之间均设有横向围板(2)，横向围板(2)中部的上下两侧均设有缺口；每道横向围板(2)对应的圆心角均为90
°
；基元胞沿不同方向阵列形成三维联通多级孔结构，三维联通多级孔结构包括横梁通道(4)和立柱通道(3)，横梁通道(4)和立柱通道(3)内部中空，每段横梁通道(4)中部环向开有四个孔洞(41)，所述孔洞(41)由横向弧面板(2)中部的缺口拼接形成；每段横梁通道(4)两端垂直连接立柱通道(3)的侧壁，立柱通道(3)的上下两端贯通；横梁通道(4)和立柱通道(3)围合在平面上形成空腔，三维联通多级孔结构内数个空腔相互贯通；横梁通道(4)、立柱通道(3)、横梁通道(4)中部的环向孔洞(41)和空腔构成多级孔结构。2.根据权利要求1所述的高承压三维联通多级孔结构，其特征在于：每个基元胞内包括四或六道竖向围板(1)，每个基元胞内横向围板(2)在水平面上围合形成正方形、矩形或六边形；每个基元胞内包括四道竖向围板(1)时，每道竖向围板(1)对应的圆心角均为90
°
；每个基元胞内包括六道竖向围板(1)时，每道竖向围板(1)对应的圆心角均为120
°
。3.根据权利要求2所述的高承压三维联通多级孔结构，其特征在于：横梁通道(4)之间围合形成空腔，空腔为正方形、矩形或六边形，相邻两道立柱通道(3)和与其相连的两道横梁通道(4)围合形成周向空腔，周向空腔为正方形或矩形。4.根据权利要求2所述的高承压三维联通多级孔结构，其特征在于：每个基元胞内设有四道竖向围板(1)，竖向围板(1)上设有支撑板(11)，支撑板(11)的两个端面分别连接在竖向围板(1)的两个端面上；支撑板(11)为平面或曲面板，所述基元胞阵列形成的三维联通多级孔结构的立柱通道(3)内通长地设有交叉板状支撑(31)。5.根据权利要求1所述的高承压三维联通多级孔结构，其特征在于：单个基元胞的边长小于10mm，基元胞内竖向围板(1)和横向围板(2)的厚度为0.1～0.75mm；多级孔结构中每级孔的直径大于等于18μm。6.根据权利要求1所述的高承压三维联通多级孔结构，其特征在于：通过带孔隙结构的平板替换所述竖向围板(1)和横向围板(2)，基元胞拼接形成的三维联通多级孔结构由竖向平板和横向平板组成。7.如权利要求1至6中任一所述的高承压三维联通多级孔结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过建模软件编辑设计基元胞；步骤二、根据需要，在建模软件中将步骤一得到的基元胞进行阵列，拓展成三维联通多级孔结构；步骤三、对建立的三维模型进行切片处理，设定打印轨迹；步骤四、通过材料喷射或粉末床熔融3d打印系统，对所述三维联通多级孔隙结构进行逐层制造，直至打印得到最终成形坯体。8.根据权利要求7所述的高承压三维联通多级孔结构的制备方法，其特征在于，步骤二中：根据需要，将基元胞阵列形成三维联通多级孔结构后，对三维联通多级孔结构的最外层进行补全，使所有竖向围板(1)和横向围板(2)均拼接为完整的横梁通道(4)和立柱通道(3)。

技术总结
本发明涉及一种高承压三维联通多级孔结构及其制备方法，包括：若干基元胞，基元胞包括竖向围板和横向围板，相邻两道竖向围板管壁的上下部之间均设有横向围板，横向围板中部的上下两侧均设有缺口；每道横向围板对应的圆心角均为90


技术研发人员：汤慧萍 郭卉君 杨鑫 丁超 苌成
受保护的技术使用者：浙大城市学院
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/9/7