不同载荷情况下增强力学性能的膨胀复合材料的异质几何设计

供稿人：王蕾蕾、李涤尘
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

建筑材料是一种经过精心几何设计的工程材料，具有负泊松比、可调刚度、能量吸收等前所未有的力学性能，以往的研究证明了其在汽车、航空航天、建筑、军事等领域的巨大潜力。为了达到更高的强度和刚度，学者提出了将膨胀芯和基体材料组合在一起形成复合材料的方法，并已在基体阶段探索不同的材料，以及将膨胀材料集成到结构设计中做了较多尝试。但是目前大多数研究只考虑了单一加载情景，包括压缩、拉伸、纯剪切或动态冲击等，然而复合材料在实际中最容易受到双重或组合载荷，这促使学者去寻找能够满足各种载荷场景的几何模式及其空间排列。中国华南理工大学胡楠教授团队研究了嵌入各种3D打印核心的软结构复合材料（SAC）单元的行为，首先通过数值模拟和实验，比较了变形模式和这些SAC单元在压缩和压缩-剪切载荷下的机械响应；然后根据获得的几何原理，提出了几种异质芯型结构，并对其性能进行了评价；最后探讨了SAC单元在压缩加载-卸载循环下的性能，以确保其在工程应用中的可行性。

首先进行SAC单元的设计和制造。设计方面，本研究采用的岩心几何单元格基于Gibson模型设计，选择可重入单元格的下限设计(v_c = -0.6)和蜂窝单元格的上限设计(v_c = 0.6) ，如图1(a)所示，通过将单元格排列组合，可形成三种SAC单元模型：重入芯(负v_c)、蜂窝芯(正v_c)和混合芯，如图1(b)所示。制造方面，SAC单元的二维核心晶格由聚乳酸(PLA)制成，通过3D打印机采用熔融沉积 (FDM)方法制备；软基采用硅橡胶为基材。SAC单元的制造过程分三个阶段进行，如图1(c)所示，首先核心晶格被放置在3d打印的铸造模具中，其内表面涂有蜡，以便稍后更好地脱模；然后慢慢地将液态硅橡胶混合物倒入铸造装置中，并需检查混合物的密实度以避免芯格和铸模之间出现空心区域；最后在混合物凝固后，从模具中取出SAC单元，并在每个实验系列之前测量它们的尺寸。

图1 SAC单元的设计和制造. (a)重入式和蜂窝式单元格; (b)三个带有不同3D打印内核的SAC单元; (c) SAC单元制造过程

其次对SAC单元进行力学性能研究。首先比较了蜂窝式(HC)、重入式(R)和混合式(H)三种SAC单元的力学行为，以及基线硅橡胶单元在单轴压缩载荷下的响应，在这种载荷条件下，定义了一个无因次比δ_1⁄H来描述广义轴向位移，其中δ_1代表实际轴向位移，H是SAC单元的总高度，由图2(a)可以发现，δ_1⁄H= 0.1时，SAC-R单元侧向屈曲，SAC-H单元侧向收缩，混合模式的变形模式与SAC-R单元或SAC-HC单元相似，这取决于中间部分放置的几何形状；然后为了比较SAC单元的压缩响应，绘制了无因次力-位移曲线，如图2(b)所示，其中无量纲F_1⁄ETL定义为实际载荷(F_1)与E×T×L的比值(E表示PLA的弹性模量)，可以看出，SAC-R在达到峰值荷载前刚度最大。具体来说，从响应曲线的线性部分(δ_1⁄H从0.02到0.04)计算了割线刚度K_1，发现SAC-R单元的K_1值比SAC-HC单元的K_1值高8倍。由于加载过程中芯格发生断裂，导致单元内部支板断裂，因此在峰值后的响应曲线上出现了几次荷载下降。总体而言，核心晶格的存在，三种SAC单元的抗压强度都明显高于橡胶单元。在评估了SAC单元在单轴压缩下的力学性能后，还探索了它们在压缩-剪切联合载荷下的力学性能，定义了两个无因次参数，F_2⁄ETL来描述侧向剪切力，δ_2⁄H来描述侧向位移，如图2(c)所示，对比了三个SAC单元的无因次力-位移滞回曲线，发现岩心模式对压缩-剪切行为的影响趋势与压缩行为相反，SAC- HC单元压缩K_1最低，但K_2值最高，总滞后曲线封闭面积最大。相比之下，SAC-R单元的K_2最弱，封闭面积最小，这是因为重入晶格的支板在弯曲方面的表现优于拉伸。在此之间，SAC-H单元可以通过几何设计进行调节，实现多个K_1-K_2组合。

图2 SAC单元和硅橡胶的力学响应. (a) 各单元数值模拟和实验变形过程; (b) SAC单元和橡胶单元单轴压缩下的力-位移曲线; (c) 三个SAC单元在压剪复合荷载作用下的无因次滞回曲线

然后进行新型异质芯型SAC单元的设计与分析。首先通过将桁架模式与重入模式和蜂窝模式结合，分别形成SAC-RT单元和SAC-HCT单元，如图3(a)所示，通过比较新型SAC单元与原来SAC单元在压缩作用下的无因次力-位移响应，可知由于引入了桁架模式，SAC- RT单元和SAC- HCT单元的抗压刚度值分别比具有规则重入模式和蜂窝模式的SAC单元高38%和53.5%，如图3(b)所示；其次通过数值模拟得到了5个SAC单元的剪切行为，可以发现SAC- HC单元的抗剪刚度K_2最高，SAC-R单元的抗剪刚度最低。在SAC- RT单元和SAC- HCT单元中使用异构模式的优势导致K_2值比使用规则重入和蜂窝模式的SAC单元高475%和66.7%，如图3(c)所示；最后对各个SAC单元进行9次加载-卸载循环的增量压缩，并观察单元的总耗散能量，结果如图3(d)所示，可见SAC-HCT单元和SAC- RT单元的耗散能值分别比单点阵的SAC单元高114%和62%。总的来说，核心晶格可以在载荷循环下保持其增强作用，并且在损伤后仍然有助于SAC单元的性能。

图3 新型异质芯型SAC单元的设计与分析. (a) 新型SAC单元的设计; (b) SAC单元在轴压作用下的力学响应; (c) SAC单元在剪切荷载作用下的无量纲力-位移响应; (d) 9次加卸载循环下SAC单元的总耗能

通过本次研究可以发现，在软矩阵中加入适当的点阵图案，SAC单元可以在不同的加载场景下获得更强的性能；其次具有混合模式和异质模式的SAC单元在所有加载场景下都比具有单一模式的SAC单元具有更高的响应可调性、可控的失效模式和更强的力学性能；另外核心晶格在多次加卸载循环下仍能保持其强度和刚度，同时对SAC单元损伤后的性能也有贡献。总的来说，胡楠教授团队所做的研究可以为将3D打印构件集成到开发先进的复合材料和结构中铺平道路。

参考文献：
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).