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)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來源：中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打�。┓謺�(huì)

建筑材料是一種經(jīng)過精心幾何設(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景的幾何模式及其空間排列。中國華南理工大學(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)無因次比δ_1⁄H來描述廣義軸向位移，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(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。具體來說，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)無因次參數(shù)，F(xiàn)_2⁄ETL來描述側(cè)向剪切力，δ_2⁄H來描述側(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(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%�？偟膩碚f，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)�？偟膩碚f，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).