不同載荷情況下增強力學性能的膨脹復合材料的異質幾何設計

供稿人：王蕾蕾、李滌塵
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打�。┓謺�

建筑材料是一種經過精心幾何設計的工程材料，具有負泊松比、可調剛度、能量吸收等前所未有的力學性能，以往的研究證明了其在汽車、航空航天、建筑、軍事等領域的巨大潛力。為了達到更高的強度和剛度，學者提出了將膨脹芯和基體材料組合在一起形成復合材料的方法，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構設計中做了較多嘗試。但是目前大多數研究只考慮了單一加載情景，包括壓縮、拉伸、純剪切或動態(tài)沖擊等，然而復合材料在實際中最容易受到雙重或組合載荷，這促使學者去尋找能夠滿足各種載荷場景的幾何模式及其空間排列。中國華南理工大學胡楠教授團隊研究了嵌入各種3D打印核心的軟結構復合材料（SAC）單元的行為，首先通過數值模擬和實驗，比較了變形模式和這些SAC單元在壓縮和壓縮-剪切載荷下的機械響應；然后根據獲得的幾何原理，提出了幾種異質芯型結構，并對其性能進行了評價；最后探討了SAC單元在壓縮加載-卸載循環(huán)下的性能，以確保其在工程應用中的可行性。

首先進行SAC單元的設計和制造。設計方面，本研究采用的巖心幾何單元格基于Gibson模型設計，選擇可重入單元格的下限設計(v_c = -0.6)和蜂窩單元格的上限設計(v_c = 0.6) ，如圖1(a)所示，通過將單元格排列組合，可形成三種SAC單元模型：重入芯(負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3D打印機采用熔融沉積 (FDM)方法制備；軟基采用硅橡膠為基材。SAC單元的制造過程分三個階段進行，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度以避免芯格和鑄模之間出現空心區(qū)域；最后在混合物凝固后，從模具中取出SAC單元，并在每個實驗系列之前測量它們的尺寸。

圖1 SAC單元的設計和制造. (a)重入式和蜂窩式單元格; (b)三個帶有不同3D打印內核的SAC單元; (c) SAC單元制造過程

其次對SAC單元進行力學性能研究。首先比較了蜂窩式(HC)、重入式(R)和混合式(H)三種SAC單元的力學行為，以及基線硅橡膠單元在單軸壓縮載荷下的響應，在這種載荷條件下，定義了一個無因次比δ_1⁄H來描述廣義軸向位移，其中δ_1代表實際軸向位移，H是SAC單元的總高度，由圖2(a)可以發(fā)現，δ_1⁄H= 0.1時，SAC-R單元側向屈曲，SAC-H單元側向收縮，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，繪制了無因次力-位移曲線，如圖2(b)所示，其中無量綱F_1⁄ETL定義為實際載荷(F_1)與E×T×L的比值(E表示PLA的彈性模量)，可以看出，SAC-R在達到峰值荷載前剛度最大。具體來說，從響應曲線的線性部分(δ_1⁄H從0.02到0.04)計算了割線剛度K_1，發(fā)現SAC-R單元的K_1值比SAC-HC單元的K_1值高8倍。由于加載過程中芯格發(fā)生斷裂，導致單元內部支板斷裂，因此在峰值后的響應曲線上出現了幾次荷載下降。總體而言，核心晶格的存在，三種SAC單元的抗壓強度都明顯高于橡膠單元。在評估了SAC單元在單軸壓縮下的力學性能后，還探索了它們在壓縮-剪切聯合載荷下的力學性能，定義了兩個無因次參數，F_2⁄ETL來描述側向剪切力，δ_2⁄H來描述側向位移，如圖2(c)所示，對比了三個SAC單元的無因次力-位移滯回曲線，發(fā)現巖心模式對壓縮-剪切行為的影響趨勢與壓縮行為相反，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，這是因為重入晶格的支板在彎曲方面的表現優(yōu)于拉伸。在此之間，SAC-H單元可以通過幾何設計進行調節(jié)，實現多個K_1-K_2組合。

圖2 SAC單元和硅橡膠的力學響應. (a) 各單元數值模擬和實驗變形過程; (b) SAC單元和橡膠單元單軸壓縮下的力-位移曲線; (c) 三個SAC單元在壓剪復合荷載作用下的無因次滯回曲線

然后進行新型異質芯型SAC單元的設計與分析。首先通過將桁架模式與重入模式和蜂窩模式結合，分別形成SAC-RT單元和SAC-HCT單元，如圖3(a)所示，通過比較新型SAC單元與原來SAC單元在壓縮作用下的無因次力-位移響應，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；其次通過數值模擬得到了5個SAC單元的剪切行為，可以發(fā)現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單元中使用異構模式的優(yōu)勢導致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；最后對各個SAC單元進行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陣的SAC單元高114%和62%�？偟膩碚f，核心晶格可以在載荷循環(huán)下保持其增強作用，并且在損傷后仍然有助于SAC單元的性能。

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

通過本次研究可以發(fā)現，在軟矩陣中加入適當的點陣圖案，SAC單元可以在不同的加載場景下獲得更強的性能；其次具有混合模式和異質模式的SAC單元在所有加載場景下都比具有單一模式的SAC單元具有更高的響應可調性、可控的失效模式和更強的力學性能；另外核心晶格在多次加卸載循環(huán)下仍能保持其強度和剛度，同時對SAC單元損傷后的性能也有貢獻。總的來說，胡楠教授團隊所做的研究可以為將3D打印構件集成到開發(fā)先進的復合材料和結構中鋪平道路。

參考文獻：
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).