北理工：微點(diǎn)陣圓柱殼結(jié)構(gòu)的原位同步X射線斷層掃描研究

來(lái)源：摩方精密

輕質(zhì)的點(diǎn)陣超材料在散熱,、隔音、承載和能量吸收領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景,。近年來(lái),，具有仿生結(jié)構(gòu)特征的新型微點(diǎn)陣殼體曲面結(jié)構(gòu)，尤其是基于三周期最小曲面的微點(diǎn)陣殼結(jié)構(gòu)得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)部門的廣泛關(guān)注,。相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)這類微點(diǎn)陣殼結(jié)構(gòu)在吸收能量方面顯著優(yōu)于同等重量的微點(diǎn)陣桁架結(jié)構(gòu),。然而，目前關(guān)注度高的微點(diǎn)陣殼結(jié)構(gòu)主要是在笛卡爾坐標(biāo)系下設(shè)計(jì)的周期性排布最小曲面的立方殼結(jié)構(gòu),，在很多具有圓柱構(gòu)型的工程裝備應(yīng)用中具有一定的局限性,，而基于三周期最小曲面的微點(diǎn)陣圓柱殼結(jié)構(gòu)鮮有報(bào)道。

伴隨著3D打印行業(yè)的發(fā)展,，越來(lái)越多的3D打印技術(shù)被用于微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制備與相關(guān)力學(xué)研究,。然而，制造過(guò)程中不可避免地都會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生隨機(jī)的幾何缺陷,，這些缺陷將會(huì)對(duì)宏觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響。目前,，已有大量關(guān)于選擇性激光熔融技術(shù)或者電子束熔融技術(shù)的制造缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響的報(bào)道,。但是對(duì)于具有更小尺度的,、更高精度的微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，特別是結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的三周期最小曲面的微點(diǎn)陣殼結(jié)構(gòu),，受限于其加工難度,，鮮少有其相關(guān)的缺陷力學(xué)影響研究。而面投影立體光刻技術(shù)（PμSL）的出現(xiàn),，其亞微米級(jí)的光學(xué)精度可以促使更加精細(xì),、微小尺寸的微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)得到精準(zhǔn)制備，極大地推動(dòng)了微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在多功能化的進(jìn)展,。

基于上述背景,，北京理工大學(xué)李營(yíng)課題組、上海交通大學(xué)吳文旺課題組研究了采用PμSL 3D打印技術(shù)（2μm光學(xué)精度打印系統(tǒng)nanoArch S130,，摩方精密）制備的基于三周期最小曲面的微點(diǎn)陣圓柱殼結(jié)構(gòu)（P-TPMS）的力學(xué)行為,。同時(shí)采用原位同步X射線斷層掃描三維成像技術(shù)和間斷原位壓縮實(shí)驗(yàn)來(lái)量化缺陷對(duì)壓縮力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明,，沿垂直方向的厚度大于沿水平方向的厚度,。另外，為了明確制造缺陷對(duì)力學(xué)行為的影響,，研究團(tuán)隊(duì)建立了三種不同的有限元分析模型,。仿真結(jié)果表明，與理想模型和真實(shí)幾何重建模型相比,，統(tǒng)計(jì)模型具有更高的精度和效率,。最后，針對(duì)厚度缺陷對(duì)殼體力學(xué)性能的影響進(jìn)行了參數(shù)化的研究,。該研究成果,，以“In-situ synchrotron X-ray tomography investigation of the imperfect smooth-shell cylinder structure”為題發(fā)表在Composite Structures上。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113926.

圖1. (a) P-TPMS微點(diǎn)陣圓柱殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)示意圖,；(b) 打印模型示意圖 (c) 相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

圖2. 打印過(guò)程示意圖（nanoArchS130,，摩方精密）

圖3 打印樣件的光學(xué)顯微鏡圖片

圖4. 原位同步X射線斷層掃描設(shè)備

表格：三種模型的性能參數(shù)與計(jì)算時(shí)間