增材制造多孔陶瓷結構的機械性能

供稿人：陳衍龍、連芩
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打印）分會

以點陣結構為典型代表的多孔結構，因其輕量化、結構可設計、結構功能一體化等優(yōu)異特性受到了越來越多的研究與關注。陶瓷材料具有低密度、高強度、優(yōu)異的耐化學腐蝕特性，在極端環(huán)境下具有更優(yōu)的應用前景。但由于陶瓷材料的脆性大、硬度高，傳統(tǒng)工藝難以實現復雜異形陶瓷點陣結構的制備，這極大制約了陶瓷材料點陣結構的相關研究。

北京理工大學的何汝杰團隊系統(tǒng)研究了3D打印陶瓷材料點陣結構的承載性能，該團隊利用光固化DLP技術制備了不同結構參數(相對密度、胞元層數、胞元大小和胞元構型)的Al2O3點陣結構，打印結構如圖1所示，通過準靜態(tài)壓縮測試發(fā)現，增加相對密度會使單層Al2O3點陣結構的力學性能以指數規(guī)律提升，且失效模式會發(fā)生轉變。然而，相對密度提高帶來的質量增加對結構的輕量化不利。

圖1 （a）不同相對密度和不同層數的Al2O3點陣結構宏微觀形貌；（b）小尺寸胞元和 (c) 不同構型的Al2O3點陣結構宏觀形貌

單層和雙層Al2O3點陣結構的力學性能相似，且顯著低于三層Al2O3點陣結構的力學性能，如圖2所示。層數能顯著放大相對密度對Al2O3點陣結構力學性能的影響并改變其失效模式。隨著層數增加，Al2O3點陣結構由沿節(jié)點的隨機取向破壞向沿特定取向的平面破壞，如圖3所示�？s小胞元尺寸能在不損失結構輕量化效果、不改變失效模式的前提下提高其力學性能。因此，在縮小胞元尺寸的同時適當降低相對密度既能滿足結構件的承重需求，又不會降低其輕量化效果。

圖2 不同相對密度和層數的Al2O3點陣結構力學性能總結 (a)抗壓強度、(b)楊氏模量、(c)能量吸收、(d)比抗壓強度、(e)比楊氏模量、(f)比能量吸收、(g)應變

圖3 不同相對密度和層數的Al2O3點陣結構失效模式總結

胞元構型對Al2O3點陣結構的力學性能有顯著影響。Al2O3點陣結構壓縮強度和楊氏模量從高到低對應的構型依次為：改進體心立方構型、Octet、SchwarzP、IWP和體心立方，如圖4所示。胞元構型對Al2O3點陣結構的失效模式幾乎沒有影響，Al2O3點陣結構中被破壞的節(jié)點大部分都集中于特定取向平面。

圖4 不同構型的Al2O3點陣結構以及其力學性能總結

最后，團隊系統(tǒng)地歸納了在壓縮載荷下，相對密度、胞元層數、胞元尺寸及胞元構型等結構參數對胞狀陶瓷結構力學行為的影響規(guī)律，厘清了各參數間的耦合關系對胞狀陶瓷結構力學性能的影響，為設計和研究具有特定力學性能的多孔陶瓷結構奠定了基礎。

參考文獻：
Zhang X,ZAHGN K,ZHANG B, et al. Mechanical properties of additively-manufactured cellular ceramic structures: A comprehensive study. Journal of Advanced Ceramics,2022,11(12):1918-1931.