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（基于生物啟發(fā)的Bouligand結構）來利用異質界面提高水泥基材料的抗斷裂能力。研究發(fā)現(xiàn)Bouligand結構的存在時構件產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。假設將異質界面與精心設計的體系結構相結合可以促進諸如界面微裂紋和裂紋扭轉等損傷機制。進一步發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的使用相同材料鑄造的構件相比，借由3D打印方法成型的Bouligand體系結構可以使hcp構件的失效降低50%，非彈性撓度提高50%以上。

Bouligand結構最初在節(jié)肢動物（螳螂蝦）的內臟中被發(fā)現(xiàn)，曾被報道可以為hcp材料結構元件引入韌性損傷機制。目前Bouligand結構已被應用于工程材料領域，通過使裂紋逐步擴展、裂紋重定向等增強結構韌性斷裂能力，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打印結構;a)蜂窩狀結構;b)蜂窩夾芯板結構，上下兩層為實心;c,d)Bouligand架構，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構的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構的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構即Bouligand與上述損傷機制相結合，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