3D打印珍珠層狀復(fù)合材料的抗沖擊性能

供稿人：張亞園,、田小永 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

多層仿生復(fù)合材料結(jié)構(gòu)因其優(yōu)異的力學(xué)性能而在防護(hù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,，其中，貝殼結(jié)構(gòu)由于具有優(yōu)異的抗沖擊性能而成為最受歡迎的仿生生物之一,。近日,，韓國(guó)一研究團(tuán)隊(duì)利用3D打印的方式進(jìn)行了貝殼仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)尺寸參數(shù)和材料特性對(duì)結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能的影響進(jìn)行了綜合研究,。

貝殼珍珠層的剛性片層和柔性填充層的交錯(cuò)層疊排列方式一般稱為“磚-泥”結(jié)構(gòu),，這種特殊構(gòu)型,這種排列方式類似于由Voronoi圖生成的單元，因此,，作者基于Voronoi圖模擬珍珠層結(jié)構(gòu),，并通過改變尺寸參數(shù)開發(fā)了五種不同的模型，如圖2所示,。以PLA為剛性六角形薄片層材料,，TPU和PA兩種材料分別作為柔性層間基體，利用雙噴頭3D打印機(jī)制備適用于落錘沖擊的層合板結(jié)構(gòu),，如圖3所示,。

圖1. 貝殼結(jié)構(gòu)：a）整體結(jié)構(gòu),；b）典型橫截面；c）內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)SEM觀察,；d）貝殼層結(jié)構(gòu)示意圖

圖2. 五種不同仿貝殼結(jié)構(gòu)模型：a）初始模型α*Wg,；b）1.5α*Wg；c）2α*Wg,；d）α*1.5Wg,；e）α*2Wg

通過對(duì)不同柔性材料種類進(jìn)行對(duì)比可以看到，與純PLA層合板結(jié)構(gòu)相比,，層間柔性材料的加入極大地提升了層合板的抗沖擊韌性,，且PLA-TPU珍珠層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)更強(qiáng)的能量吸收能力，具有更好的抗沖擊性能,。對(duì)不同尺寸參數(shù)的層合板結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊性能對(duì)比可以看到,，隨著剛性六邊形薄片的尺寸增大，即PLA的體積分?jǐn)?shù)的增大,，層合板吸收的沖擊能量減少,，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)較大的損傷破壞形式，且層間柔性基體的增多提高了結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能,。

圖3. 不同尺寸參數(shù)層合板沖擊破壞模式：（a）specimen 3,；（b）specimen 4；（c）specimen 5,；（d）specimen 6;

Table 1. Energy absorption capacity against drop weight impact

此外,，作者還進(jìn)行了有限元仿真分析，得到與實(shí)驗(yàn)相一致的結(jié)果,，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性,，為未來貝殼仿生結(jié)構(gòu)抗沖擊韌性的進(jìn)一步優(yōu)化研究奠定了基礎(chǔ)，且這種對(duì)貝殼珍珠層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究可以做為新一代高性能材料體系的進(jìn)一步優(yōu)化的一個(gè)重要研究方向,。

參考文獻(xiàn)：
Kwonhwan Ko, Suyeong Jin, Sang Eon Lee, et al. Impact resistance of nacre-like composites diversely patterned by 3D printing[J]. Composite Structures. 2020, 238: 111951.