一種可重復(fù)使用并具有緩沖吸能效果的柔性結(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種可重復(fù)使用并具有緩沖吸能效果的柔性結(jié)構(gòu)，包括由高彈性的高分子材料制作而成的一個(gè)多個(gè)相連接的鼓包、填充在鼓包內(nèi)可流動(dòng)的并具有重復(fù)吸能效果的填充物以及封裝填充物的高分子材料封裝層，所述填充物的材料為海沙、粘土、泡沫、粘彈性聚合物或納米多孔顆?；旌狭黧w；本發(fā)明將能量轉(zhuǎn)換為填充物與鼓包間的摩擦、填充物內(nèi)部之間的摩擦以及填充物與高分子材料鼓包的變形能，從而有效地提高了能量的吸收；同時(shí)該柔性結(jié)構(gòu)能夠重復(fù)使用，在多次沖擊情況下，也有良好的吸能效果；該柔性結(jié)構(gòu)材料成本低廉，且重量相對(duì)較輕，適合大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種可重復(fù)使用并具有緩沖吸能效果的柔性結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種柔性結(jié)構(gòu)，具體涉及一種可重復(fù)使用并具有緩沖吸能效果的柔性結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前在航天航空、船舶以及汽車(chē)制造等領(lǐng)域，科學(xué)家們廣泛使用蜂窩夾芯(金屬或泡沫材料)結(jié)構(gòu)來(lái)吸收沖擊所帶來(lái)的能量，從而達(dá)到保護(hù)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的目的。這種結(jié)構(gòu)主要由上下兩個(gè)面板與蜂窩芯通過(guò)膠黏劑粘接而成，當(dāng)受到外載荷時(shí)，蜂窩芯將發(fā)生坍塌破碎，從而吸收碰撞或沖擊帶來(lái)的應(yīng)力波和能量。由于蜂窩芯主要由金屬或泡沫材料制成，因此其坍塌破碎過(guò)程將是不可恢復(fù)的，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)在受到多次沖擊時(shí)，無(wú)法對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)起到有效的保護(hù)作用。
[0003]隨著對(duì)高分子材料性能研究的深入，科學(xué)家試圖利用纖維增強(qiáng)高聚物等材料來(lái)達(dá)到吸能效果。這些材料在受到外載荷時(shí)，通過(guò)大變形、屈曲等原理來(lái)吸收能量。這些材料在受到線性、低速?zèng)_擊時(shí)能夠較好地實(shí)現(xiàn)吸能效果，然而一旦受到非線性、高速?zèng)_擊時(shí)，其吸能效果就會(huì)大幅度下降，主要原因在于應(yīng)力區(qū)域化和材料響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種可重復(fù)使用并具有緩沖吸能效果的柔性結(jié)構(gòu)，將能量轉(zhuǎn)換為填充物與鼓包間的摩擦、填充物內(nèi)部之間的摩擦以及填充物與高分子材料鼓包的變形能，從而有效地提高了能量的吸收。同時(shí)該柔性結(jié)構(gòu)能夠重復(fù)使用，在多次沖擊情況下，也有良好的吸能效果。該柔性結(jié)構(gòu)材料成本低廉，且重量相對(duì)較輕，適合大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
[0005]為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種可重復(fù)使用并具有緩沖吸能效果的柔性結(jié)構(gòu)，包括由高彈性的高分子材料制作而成的一個(gè)多個(gè)相連接的鼓包1、填充在鼓包I內(nèi)可流動(dòng)的并具有重復(fù)吸能效果的填充物2以及封裝填充物2的高分子材料封裝層3。
[0007]所述高彈性的高分子材料為橡膠、改性橡膠、天然塑料或合成塑料。
[0008]所述高分子材料封裝層3的材料為橡膠、改性橡膠、天然塑料或合成塑料。
[0009]所述可流動(dòng)的并具有重復(fù)吸能效果的填充物2的材料為海沙、粘土、泡沫、粘彈性聚合物或納米多孔顆粒混合流體。
[0010]所述鼓包I的形狀為任意形狀，可以為半球形、半橢球形或棱柱形。
[0011]當(dāng)封裝后的柔性結(jié)構(gòu)受到碰撞或沖擊時(shí)，鼓包頂部受到的壓力增大，促使整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形，而鼓包內(nèi)部的填充物將承受大部分的壓力。由于填充物的可流動(dòng)性，因此當(dāng)鼓包受到的壓力逐漸增大時(shí)，鼓包四周將向外側(cè)撐起。在填充物流動(dòng)的過(guò)程中，將與鼓包發(fā)生摩擦吸收部分能量。同時(shí)填充物之間也將發(fā)生摩擦，進(jìn)一步提高吸能效果。而高分子材料制作而成的鼓包本身以及填充物本身也會(huì)發(fā)生變形，將部分能量轉(zhuǎn)化為變形能。因此整個(gè)過(guò)程實(shí)際上是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為填充物與鼓包之間的摩擦、填充物內(nèi)部的摩擦以及填充物與高分子材料鼓包本身的變形能。同時(shí)在卸載后，由于高分子材料鼓包具有的高彈性特點(diǎn)以及填充物本身良好的流動(dòng)性及重復(fù)吸能的特點(diǎn)，該柔性結(jié)構(gòu)將迅速恢復(fù)到原始形態(tài)，有利于多次重復(fù)使用。
[0012]和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0013](I)當(dāng)該柔性結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊時(shí)，充分利用填充物與鼓包之間的接觸面積以及填充物內(nèi)部之間的相互作用，和高分子材料鼓包本身可以發(fā)生大變形的特點(diǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為填充物與鼓包間的摩擦、填充物內(nèi)部的摩擦以及填充物與高分子材料鼓包本身的變形能，從而有效地提聞吸能的效果。
[0014](2)通過(guò)改變鼓包的制作材料或者鼓包的形狀，或者是改變填充物的材質(zhì)，可以有效控制該柔性結(jié)構(gòu)的吸能效果，使得其可以廣泛應(yīng)用于各類(lèi)碰撞保護(hù)。
[0015](2)由于鼓包是用具有高彈性的高分子材料制作而成，因此即便在大變形情況下，該柔性結(jié)構(gòu)也很難發(fā)生破裂，并且其磨損破壞的過(guò)程也將非常緩慢。
[0016](3)在卸載后，該柔性結(jié)構(gòu)可以很快恢復(fù)到起始形態(tài)，使得其能承受多次沖擊，并且可以很方便地重復(fù)多次使用。
[0017](4)由于填充物良好的流動(dòng)性以及高分子材料本身表現(xiàn)出的柔韌性，極大地提高了人類(lèi)使用時(shí)的舒適性。
[0018](5)該柔性結(jié) 構(gòu)所使用的材料成本低廉，且質(zhì)量相對(duì)較輕，便于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明柔性結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0020]圖2是本發(fā)明柔性結(jié)構(gòu)吸能示意圖。
[0021]圖3是本發(fā)明柔性結(jié)構(gòu)吸能效果與不加填充物時(shí)吸能效果的比較圖。
[0022]圖4是對(duì)本發(fā)明柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行重復(fù)加卸載后的應(yīng)力一應(yīng)變曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0024]下面首先對(duì)本發(fā)明的原理和工作過(guò)程做如下說(shuō)明:
[0025]當(dāng)外界給本發(fā)明柔性結(jié)構(gòu)施加外力時(shí)，填充物將發(fā)生流動(dòng)與鼓包之間發(fā)生摩擦，并且填充物內(nèi)部之間將產(chǎn)生摩擦，同時(shí)高分子材料鼓包將發(fā)生大變形。因此外界輸入的機(jī)械能需要克服填充物與鼓包之間的摩擦力和填充物內(nèi)部發(fā)生的摩擦力以及高分子材料鼓包的變形能，其可以表示為:
[0026]W = E1+E2+E3 (I)
[0027]其中W為外界做的功，E1為填充物與鼓包之間摩擦消耗的能量，E2為填充物內(nèi)部摩擦消耗的能量，E3為填充物和高分子材料鼓包吸收的變形能。
[0028]而該柔性結(jié)構(gòu)吸收的總能量即可認(rèn)為是填充物與鼓包之間的摩擦吸能和填充物內(nèi)部發(fā)生的摩擦吸能以及高分子材料鼓包的變形吸能，可以表示為:
[0029]E = E^Ea+Eg (2)[0030]其中E為該柔性結(jié)構(gòu)吸收的總能量。
[0031]如圖2所示為該柔性結(jié)構(gòu)吸能示意圖，從圖中可以看出，該柔性結(jié)構(gòu)吸收的總能量明顯多于填充物內(nèi)部發(fā)生的摩擦耗散E2和高分子材料鼓包的變形能E3之和，即:E>E2+E3。這部分多吸收的能量就認(rèn)為是填充物與鼓包之間發(fā)生的摩擦耗散。
[0032]而在卸載后，由于高分子材料鼓包高彈性的特點(diǎn)以及填充物良好的流動(dòng)性及重復(fù)吸能的特點(diǎn)，將自然的很快恢復(fù)到初始形態(tài)。因此該柔性結(jié)構(gòu)即便受到多次碰撞沖擊時(shí)，也能展現(xiàn)出良好的吸能效果，能夠有效地進(jìn)行重復(fù)使用。
[0033]實(shí)施例一
[0034]如圖1所示，本實(shí)施例一種可重復(fù)使用并具有緩沖吸能效果的柔性結(jié)構(gòu)，先利用聚氨酯制作高分子材料鼓包1，然后將海沙作為填充物2加入到鼓包I中去，再利用聚氯乙烯材料作為高分子材料封裝層3進(jìn)行封裝。可見(jiàn)，當(dāng)鼓包I頂部承受沖擊時(shí)，填充物海沙將主要承受沖擊載荷，同時(shí)海沙將充分發(fā)揮流動(dòng)性的特點(diǎn)，使整個(gè)柔性結(jié)構(gòu)具有良好的緩沖吸能效果。
[0035]因此當(dāng)該柔性結(jié)構(gòu)受到外載荷時(shí)，其能量裝換的過(guò)程即為:填充物海沙與聚氨酯鼓包之間的摩擦、填充物海沙內(nèi)部之間的摩擦以及填充物和聚氨酯鼓包本身的變形能。
[0036]如圖3所示為本發(fā)明柔性結(jié)構(gòu)吸能效果與不加填充物時(shí)吸能效果的比較圖，可見(jiàn)該柔性結(jié)構(gòu)的吸收的能量幾乎是不加填充物時(shí)吸收能量的二十多倍。同時(shí)，該柔性結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出了良好的大變形能力，在應(yīng)變達(dá)到0.9甚至更大的情況下，也沒(méi)有發(fā)生破裂。
[0037]如圖4所示為本發(fā)明柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行重復(fù)加卸載時(shí)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線圖，在多次重復(fù)加卸載的情況下，其應(yīng)力一應(yīng)變曲線基本重合。因此，即便在多次沖擊的情況下，該柔性結(jié)構(gòu)也能很好的起到吸能效果，保護(hù)目標(biāo)結(jié)構(gòu)。得益于其良好的吸能效果，該柔性結(jié)構(gòu)也適合多次重復(fù)使用。
[0038]實(shí)施例二
[0039]如圖1所示，本實(shí)施例一種可重復(fù)使用并具有緩沖吸能效果的柔性結(jié)構(gòu)，先利用改性聚苯乙烯制作高分子材料鼓包1，然后將粘土作為填充物2加入到鼓包I中去，再利用天然橡膠材料作為高分子材料封裝層3進(jìn)行封裝。
[0040]實(shí)施例三
[0041]如圖1所示，本實(shí)施例一種可重復(fù)使用并具有緩沖吸能效果的柔性結(jié)構(gòu)，先利用丁苯橡膠制作高分子材料鼓包1，然后將粘彈性聚合物作為填充物2加入到鼓包I中去，再利用聚氯乙烯材料作為高分子材料封裝層3進(jìn)行封裝。
[0042]實(shí)施例四
[0043]如圖1所示，本實(shí)施例一種可重復(fù)使用并具有緩沖吸能效果的柔性結(jié)構(gòu)，先利用脫硫異戊橡膠制作高分子材料鼓包1，然后將納米多孔顆?；旌狭黧w作為填充物2加入到鼓包I中去，再利用聚氨酯材料作為高分子材料封裝層3進(jìn)行封裝。
【權(quán)利要求】
1.一種可重復(fù)使用并具有緩沖吸能效果的柔性結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括由高彈性的高分子材料制作而成的一個(gè)多個(gè)相連接的鼓包(I)、填充在鼓包(I)內(nèi)可流動(dòng)的并具有重復(fù)吸能效果的填充物(2)以及封裝填充物(2)的高分子材料封裝層(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可重復(fù)使用并具有緩沖吸能效果的柔性結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述高彈性的高分子材料為橡膠、改性橡膠、天然塑料或合成塑料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可重復(fù)使用并具有緩沖吸能效果的柔性結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述高分子材料封裝層(3)的材料為橡膠、改性橡膠、天然塑料或合成塑料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可重復(fù)使用并具有緩沖吸能效果的柔性結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述可流動(dòng)的并具有重復(fù)吸能效果的填充物(2)的材料為海沙、粘土、泡沫、粘彈性聚合物或納米多孔顆?；旌狭黧w。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可重復(fù)使用并具有緩沖吸能效果的柔性結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述鼓包(I)的形狀為半球形、半橢球形或棱柱形。
【文檔編號(hào)】F16F15/04GK103982588SQ201410205355
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】陳曦, 劉益?zhèn)? 鄧曉彬, 周迦律, 閆淵 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)