水泥基建筑材料的3D打印及其性能研究

供稿人:隨雨濃 魯中良
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

研究人員對水泥基材料的分級設計及增材制造越來越感興趣,，然而水泥基材料的脆性行為和AM過程的存在是一個重大的挑戰(zhàn),。來自美國普渡大學的研究團隊采用新的架構(gòu)（基于生物啟發(fā)的Bouligand結(jié)構(gòu)）來利用異質(zhì)界面提高水泥基材料的抗斷裂能力,。研究發(fā)現(xiàn)Bouligand結(jié)構(gòu)的存在時構(gòu)件產(chǎn)生了獨特的損傷機制,，這使得固有脆性hcp材料獲得更高的容錯性能和新的性能特征,。假設將異質(zhì)界面與精心設計的體系結(jié)構(gòu)相結(jié)合可以促進諸如界面微裂紋和裂紋扭轉(zhuǎn)等損傷機制,。進一步發(fā)現(xiàn),，與傳統(tǒng)的使用相同材料鑄造的構(gòu)件相比，借由3D打印方法成型的Bouligand體系結(jié)構(gòu)可以使hcp構(gòu)件的失效降低50%,，非彈性撓度提高50%以上,。

Bouligand結(jié)構(gòu)最初在節(jié)肢動物（螳螂蝦）的內(nèi)臟中被發(fā)現(xiàn)，曾被報道可以為hcp材料結(jié)構(gòu)元件引入韌性損傷機制,。目前Bouligand結(jié)構(gòu)已被應用于工程材料領(lǐng)域,，通過使裂紋逐步擴展、裂紋重定向等增強結(jié)構(gòu)韌性斷裂能力,，防止發(fā)生災難性故障,。

圖1.硬化水泥漿體（hcp）元件的各種3D打印結(jié)構(gòu);a)蜂窩狀結(jié)構(gòu);b)蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)，上下兩層為實心;c,d)Bouligand架構(gòu)，相鄰兩層夾角γ=2°,，45°;e,f）分別為建立的三維初始模型,，所有標尺均為10.0毫米長

圖2.在3PB測試中測試了具有不同結(jié)構(gòu)的3D打印實體零件的力學響應;a)顯示打印取向方向的樣品頂面（x-z平面）示意圖;b)3PB實驗示意圖;c)3d打印件與鑄件的斷裂比模量;d-f)0°、45°和90°打印取向試樣破壞后圖像,，顯示裂紋路徑;g-i)試樣底面裂紋路徑（沿著y軸觀察）;j-i)0°,、45°和90°打印取向試樣破壞后圖像，顯示微裂紋

圖2.在3PB測試中測試了具有不同結(jié)構(gòu)的3D打印實體零件的力學響應;a)顯示打印取向方向的樣品頂面（x-z平面）示意圖;b)3PB實驗示意圖;c)3d打印件與鑄件的斷裂比模量;d-f)0°,、45°和90°打印取向試樣破壞后圖像,，顯示裂紋路徑;g-i)試樣底面裂紋路徑（沿著y軸觀察）;j-i)0°、45°和90°打印取向試樣破壞后圖像,，顯示微裂紋

由上圖c可知,，鑄件試樣取得最小彎曲強度，對于3D打印試樣來說,，當3D打印路徑垂直于三點彎曲外載荷的方向時,，試樣取得最大抗彎強度，當路徑與外載荷夾角為45°時,，抗彎強度明顯小于前者,。當打印路徑與外載荷夾角為0°時，3D打印試樣取得最小彎曲強度,，僅略大于鑄件試樣,。通過對比不同打印取向的試樣的裂紋方向，可以發(fā)現(xiàn)3D打印元件中的裂紋路徑可以通過改變打印絲的方向來控制,。進一步得出,，如果通過引導裂紋促進局部硬化的體系結(jié)構(gòu)即Bouligand與上述損傷機制相結(jié)合，可以實現(xiàn)定制局部強化的3D打印元件,。

參考文獻：
Mohamadreza, Moini, Jan, et al. Additive Manufacturing and Performance of Architectured Cement‐Based Materials[J]. Advanced Materials, 2018.
https://xs.scihub.ltd/https://doi.org/10.1002/adma.201802123