不同載荷情況下增強(qiáng)力學(xué)性能的膨脹復(fù)合材料的異質(zhì)幾何設(shè)計(jì)

供稿人：王蕾蕾,、李滌塵
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來(lái)源：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打印）分會(huì)

建筑材料是一種經(jīng)過(guò)精心幾何設(shè)計(jì)的工程材料,，具有負(fù)泊松比,、可調(diào)剛度、能量吸收等前所未有的力學(xué)性能,，以往的研究證明了其在汽車,、航空航天、建筑,、軍事等領(lǐng)域的巨大潛力,。為了達(dá)到更高的強(qiáng)度和剛度，學(xué)者提出了將膨脹芯和基體材料組合在一起形成復(fù)合材料的方法,，并已在基體階段探索不同的材料,，以及將膨脹材料集成到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中做了較多嘗試。但是目前大多數(shù)研究只考慮了單一加載情景,，包括壓縮,、拉伸、純剪切或動(dòng)態(tài)沖擊等,，然而復(fù)合材料在實(shí)際中最容易受到雙重或組合載荷,，這促使學(xué)者去尋找能夠滿足各種載荷場(chǎng)景的幾何模式及其空間排列。中國(guó)華南理工大學(xué)胡楠教授團(tuán)隊(duì)研究了嵌入各種3D打印核心的軟結(jié)構(gòu)復(fù)合材料（SAC）單元的行為,，首先通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn),，比較了變形模式和這些SAC單元在壓縮和壓縮-剪切載荷下的機(jī)械響應(yīng),；然后根據(jù)獲得的幾何原理,，提出了幾種異質(zhì)芯型結(jié)構(gòu),，并對(duì)其性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)；最后探討了SAC單元在壓縮加載-卸載循環(huán)下的性能,，以確保其在工程應(yīng)用中的可行性,。

首先進(jìn)行SAC單元的設(shè)計(jì)和制造。設(shè)計(jì)方面,，本研究采用的巖心幾何單元格基于Gibson模型設(shè)計(jì),，選擇可重入單元格的下限設(shè)計(jì)(v_c = -0.6)和蜂窩單元格的上限設(shè)計(jì)(v_c = 0.6) ，如圖1(a)所示,，通過(guò)將單元格排列組合,，可形成三種SAC單元模型：重入芯(負(fù)v_c)、蜂窩芯(正v_c)和混合芯,，如圖1(b)所示,。制造方面，SAC單元的二維核心晶格由聚乳酸(PLA)制成,，通過(guò)3D打印機(jī)采用熔融沉積 (FDM)方法制備,；軟基采用硅橡膠為基材。SAC單元的制造過(guò)程分三個(gè)階段進(jìn)行,，如圖1(c)所示,，首先核心晶格被放置在3d打印的鑄造模具中，其內(nèi)表面涂有蠟,，以便稍后更好地脫模,；然后慢慢地將液態(tài)硅橡膠混合物倒入鑄造裝置中，并需檢查混合物的密實(shí)度以避免芯格和鑄模之間出現(xiàn)空心區(qū)域,；最后在混合物凝固后,，從模具中取出SAC單元，并在每個(gè)實(shí)驗(yàn)系列之前測(cè)量它們的尺寸,。

圖1 SAC單元的設(shè)計(jì)和制造. (a)重入式和蜂窩式單元格; (b)三個(gè)帶有不同3D打印內(nèi)核的SAC單元; (c) SAC單元制造過(guò)程

其次對(duì)SAC單元進(jìn)行力學(xué)性能研究,。首先比較了蜂窩式(HC)、重入式(R)和混合式(H)三種SAC單元的力學(xué)行為,，以及基線硅橡膠單元在單軸壓縮載荷下的響應(yīng),，在這種載荷條件下，定義了一個(gè)無(wú)因次比δ_1⁄H來(lái)描述廣義軸向位移,，其中δ_1代表實(shí)際軸向位移,，H是SAC單元的總高度，由圖2(a)可以發(fā)現(xiàn),，δ_1⁄H= 0.1時(shí),，SAC-R單元側(cè)向屈曲，SAC-H單元側(cè)向收縮，混合模式的變形模式與SAC-R單元或SAC-HC單元相似,，這取決于中間部分放置的幾何形狀,；然后為了比較SAC單元的壓縮響應(yīng)，繪制了無(wú)因次力-位移曲線,，如圖2(b)所示,，其中無(wú)量綱F_1⁄ETL定義為實(shí)際載荷(F_1)與E×T×L的比值(E表示PLA的彈性模量)，可以看出,，SAC-R在達(dá)到峰值荷載前剛度最大,。具體來(lái)說(shuō)，從響應(yīng)曲線的線性部分(δ_1⁄H從0.02到0.04)計(jì)算了割線剛度K_1,，發(fā)現(xiàn)SAC-R單元的K_1值比SAC-HC單元的K_1值高8倍,。由于加載過(guò)程中芯格發(fā)生斷裂，導(dǎo)致單元內(nèi)部支板斷裂,，因此在峰值后的響應(yīng)曲線上出現(xiàn)了幾次荷載下降,。總體而言,，核心晶格的存在,，三種SAC單元的抗壓強(qiáng)度都明顯高于橡膠單元。在評(píng)估了SAC單元在單軸壓縮下的力學(xué)性能后,，還探索了它們?cè)趬嚎s-剪切聯(lián)合載荷下的力學(xué)性能,，定義了兩個(gè)無(wú)因次參數(shù)，F(xiàn)_2⁄ETL來(lái)描述側(cè)向剪切力,，δ_2⁄H來(lái)描述側(cè)向位移,，如圖2(c)所示，對(duì)比了三個(gè)SAC單元的無(wú)因次力-位移滯回曲線,，發(fā)現(xiàn)巖心模式對(duì)壓縮-剪切行為的影響趨勢(shì)與壓縮行為相反,，SAC- HC單元壓縮K_1最低，但K_2值最高,，總滯后曲線封閉面積最大,。相比之下，SAC-R單元的K_2最弱,，封閉面積最小,，這是因?yàn)橹厝刖Ц竦闹О逶趶澢�方面的表現(xiàn)優(yōu)于拉伸。在此之間,，SAC-H單元可以通過(guò)幾何設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié),，實(shí)現(xiàn)多個(gè)K_1-K_2組合。

圖2 SAC單元和硅橡膠的力學(xué)響應(yīng). (a) 各單元數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)變形過(guò)程; (b) SAC單元和橡膠單元單軸壓縮下的力-位移曲線; (c) 三個(gè)SAC單元在壓剪復(fù)合荷載作用下的無(wú)因次滯回曲線

然后進(jìn)行新型異質(zhì)芯型SAC單元的設(shè)計(jì)與分析,。首先通過(guò)將桁架模式與重入模式和蜂窩模式結(jié)合,，分別形成SAC-RT單元和SAC-HCT單元,，如圖3(a)所示，通過(guò)比較新型SAC單元與原來(lái)SAC單元在壓縮作用下的無(wú)因次力-位移響應(yīng),，可知由于引入了桁架模式,，SAC- RT單元和SAC- HCT單元的抗壓剛度值分別比具有規(guī)則重入模式和蜂窩模式的SAC單元高38%和53.5%，如圖3(b)所示,；其次通過(guò)數(shù)值模擬得到了5個(gè)SAC單元的剪切行為,，可以發(fā)現(xiàn)SAC- HC單元的抗剪剛度K_2最高,，SAC-R單元的抗剪剛度最低,。在SAC- RT單元和SAC- HCT單元中使用異構(gòu)模式的優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致K_2值比使用規(guī)則重入和蜂窩模式的SAC單元高475%和66.7%，如圖3(c)所示,；最后對(duì)各個(gè)SAC單元進(jìn)行9次加載-卸載循環(huán)的增量壓縮,，并觀察單元的總耗散能量，結(jié)果如圖3(d)所示,，可見SAC-HCT單元和SAC- RT單元的耗散能值分別比單點(diǎn)陣的SAC單元高114%和62%,。總的來(lái)說(shuō),，核心晶格可以在載荷循環(huán)下保持其增強(qiáng)作用,，并且在損傷后仍然有助于SAC單元的性能。

圖3 新型異質(zhì)芯型SAC單元的設(shè)計(jì)與分析. (a) 新型SAC單元的設(shè)計(jì); (b) SAC單元在軸壓作用下的力學(xué)響應(yīng); (c) SAC單元在剪切荷載作用下的無(wú)量綱力-位移響應(yīng); (d) 9次加卸載循環(huán)下SAC單元的總耗能

通過(guò)本次研究可以發(fā)現(xiàn),，在軟矩陣中加入適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)陣圖案,，SAC單元可以在不同的加載場(chǎng)景下獲得更強(qiáng)的性能；其次具有混合模式和異質(zhì)模式的SAC單元在所有加載場(chǎng)景下都比具有單一模式的SAC單元具有更高的響應(yīng)可調(diào)性,、可控的失效模式和更強(qiáng)的力學(xué)性能,；另外核心晶格在多次加卸載循環(huán)下仍能保持其強(qiáng)度和剛度，同時(shí)對(duì)SAC單元損傷后的性能也有貢獻(xiàn),�,？偟膩�(lái)說(shuō)，胡楠教授團(tuán)隊(duì)所做的研究可以為將3D打印構(gòu)件集成到開發(fā)先進(jìn)的復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)中鋪平道路,。

參考文獻(xiàn)：
Li Z, Xie C, Li F, et al. " Heterogeneous geometric designs in auxetic composites toward enhanced mechanical properties under various loading scenarios. " Composites Communications (2023).