導(dǎo)讀

建構(gòu)化材料因為其獨特的力學(xué)屬性和廣泛的應(yīng)用前景備受關(guān)注。近年來，越來越多的學(xué)者將建構(gòu)化材料與常規(guī)材料相結(jié)合形成復(fù)合材料，以達到更高的強度和剛度。建構(gòu)化材料在實際應(yīng)用中通常需要適應(yīng)多種受力狀態(tài)，但目前大多數(shù)研究只考慮材料在拉伸、壓痕、剪切、彎曲等單一加載場景下的性能，缺乏對復(fù)雜受力狀態(tài)的探索。本期為大家介紹課題組李智雄等同學(xué)于近期發(fā)表在Composites Communications上題為Heterogeneous geometric designs in auxetic composites toward enhanced mechanical properties under various loading scenarios的文章。

https://doi.org/10.1016/j.coco.2023.101499

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本文以3D打印的晶格材料(Polylactic acid)作為增強相，以硅膠(Silicone rubber)作為基質(zhì)，形成建構(gòu)化復(fù)合材料(SAC)，接著研究蜂窩、內(nèi)凹與雜交三種幾何的復(fù)合材料在壓縮與壓剪結(jié)合狀態(tài)下的力學(xué)性能，在獲得不同復(fù)合材料變形行為和受力特征的基礎(chǔ)上，提出了異構(gòu)幾何設(shè)計方法，探索新型復(fù)合材料的剛度與吸能效果，最后研究復(fù)合材料在重復(fù)壓縮和循環(huán)壓縮狀態(tài)下的力學(xué)性能。文章主要內(nèi)容如下：

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建構(gòu)化復(fù)合材料的設(shè)計與制作。利用3D打印制作晶格材料與模具，并澆筑液態(tài)硅膠，待硅膠固化，形成建構(gòu)化復(fù)合材料?；?/span>Gison’s model設(shè)計蜂窩(Honeycomb)、內(nèi)凹(Re-entrant)、雜交(Hybrid)三種復(fù)合材料，其中雜交復(fù)合材料是蜂窩與內(nèi)凹幾何的結(jié)合，通過調(diào)節(jié)晶格的壁厚，將所有復(fù)合材料的增強相體積分數(shù)設(shè)置為20%。

2

復(fù)合材料在受壓與壓剪結(jié)合受力下的力學(xué)性能。在受壓狀態(tài)下，不同復(fù)合材料表現(xiàn)出不一樣的變形行為，有限元模擬與試驗結(jié)果趨勢一致，蜂窩復(fù)合材料(SAC-HC)發(fā)生橫向膨脹，內(nèi)凹復(fù)合材料(SAC-R)發(fā)生屈曲變形，而雜交復(fù)合材料(SAC-H)出現(xiàn)中間收縮上下膨脹的現(xiàn)象。從力位移曲線可以看出，內(nèi)凹復(fù)合材料表現(xiàn)出最大的抗壓剛度，蜂窩復(fù)合材料較小，雜交復(fù)合材料抗壓剛度處于兩種之間，由于晶格的存在，建構(gòu)化復(fù)合材料的抗壓剛度均大于純硅膠材料。在壓剪結(jié)合狀態(tài)下，復(fù)合材料的抗剪剛度與抗壓剛度呈現(xiàn)相反的趨勢，抗壓剛度最好的內(nèi)凹復(fù)合材料表現(xiàn)出較小的抗剪剛度，而蜂窩復(fù)合材料具有最大的抗剪剛度和能量耗散，雜交復(fù)合材料仍處于兩者之間?？偟膩碚f，不同幾何設(shè)計的復(fù)合材料在特定的荷載下具有獨特的優(yōu)勢。

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3

異構(gòu)幾何設(shè)計與復(fù)合材料力學(xué)性能。仍采用Gison’s model調(diào)節(jié)假設(shè)泊松比(vc)設(shè)計出蜂窩(HC)、長方形(RC)與內(nèi)凹(RE)三種常規(guī)幾何復(fù)合材料，在此基礎(chǔ)上提出異構(gòu)幾何設(shè)計方法，通過添加桁架(T)形成內(nèi)凹-桁架(RT)與蜂窩-桁架(HCT)新型復(fù)合材料，將復(fù)合材料增強相的體積分數(shù)均設(shè)置為30%。

在受壓狀態(tài)下，隨著假設(shè)泊松比的下降，復(fù)合材料的抗壓剛度逐漸增加，內(nèi)凹復(fù)合材料在三種常規(guī)幾何中表現(xiàn)出最大的抗壓剛度。另外，桁架結(jié)構(gòu)能夠提供額外的受荷路徑，晶格受力更加均勻，使得內(nèi)凹-桁架與蜂窩-桁架復(fù)合材料的抗壓剛度比常規(guī)幾何分別提升了38%和53.5%。在壓剪結(jié)合狀態(tài)下，復(fù)合材料的抗剪剛度隨著假設(shè)泊松比增加而增大，并且添加桁架的復(fù)合材料抗剪剛度比原有幾何有很大提升，其中內(nèi)凹-桁架提升475%，蜂窩-桁架提升66.7%。同時，添加桁架復(fù)合材料的吸能耗能也比常規(guī)幾何有一定增強。

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4

建構(gòu)化復(fù)合材料在循環(huán)壓縮下的力學(xué)響應(yīng)。在之前試驗中，發(fā)現(xiàn)建構(gòu)化復(fù)合材料在內(nèi)部晶格斷裂情況下，其承載能力不會發(fā)生崩塌式下降，具有很好的能量吸收效果，于是對復(fù)合材料進行循環(huán)壓縮試驗。在三次重復(fù)壓縮下，雖然復(fù)合材料的剛度值出現(xiàn)下降，但其剛度值仍明顯大于純硅膠材料。而在逐級循環(huán)壓縮下，由于內(nèi)部晶格破壞，復(fù)合材料的剛度值逐漸下降，但每次循環(huán)都具有飽滿的滯回曲線面積。計算兩種循環(huán)壓縮試驗下的能量吸收，在常規(guī)幾何中內(nèi)凹復(fù)合材料具有最好的能量吸收能力，并且添加桁架的新型復(fù)合材料比原有幾何有一定提升。

總 結(jié)

我們通過幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計，使多樣化的建構(gòu)化復(fù)合材料能夠適應(yīng)不同的受力場景，其中內(nèi)凹復(fù)合材料在受壓狀態(tài)和循環(huán)壓縮狀態(tài)下具有較大的剛度和能量吸收，而蜂窩復(fù)合材料在壓剪結(jié)合狀態(tài)下具有較大的抗剪剛度和能量耗散性能。同時提出異構(gòu)幾何設(shè)計方法，通過添加桁架方式提升原有結(jié)構(gòu)的剛度與能量吸收。盡管本研究探索3D打印先進復(fù)合材料與幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計，為開發(fā)保護裝置、彈性接縫與支座等應(yīng)用提供新的方案，但仍有一些內(nèi)容需要進一步研究，如打印參數(shù)對復(fù)合材料的影響；通過數(shù)字驅(qū)動方法優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高設(shè)計效率；以具體應(yīng)用場景與需求，反向選擇合適的尺寸、材料與幾何等。

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來源于多樣化結(jié)構(gòu)實驗室VSL

排版 | 李嘉晨

審核 | 胡? ?楠