3D打印珍珠層狀復合材料的抗沖擊性能

供稿人：張亞園、田小永 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

多層仿生復合材料結構因其優(yōu)異的力學性能而在防護領域得到廣泛應用，其中，貝殼結構由于具有優(yōu)異的抗沖擊性能而成為最受歡迎的仿生生物之一。近日，韓國一研究團隊利用3D打印的方式進行了貝殼仿生結構的設計，并通過實驗和數(shù)值模擬的方法對尺寸參數(shù)和材料特性對結構的抗沖擊性能的影響進行了綜合研究。

貝殼珍珠層的剛性片層和柔性填充層的交錯層疊排列方式一般稱為“磚-泥”結構，這種特殊構型,這種排列方式類似于由Voronoi圖生成的單元，因此，作者基于Voronoi圖模擬珍珠層結構，并通過改變尺寸參數(shù)開發(fā)了五種不同的模型，如圖2所示。以PLA為剛性六角形薄片層材料，TPU和PA兩種材料分別作為柔性層間基體，利用雙噴頭3D打印機制備適用于落錘沖擊的層合板結構，如圖3所示。

圖1. 貝殼結構：a）整體結構；b）典型橫截面；c）內部微觀結構SEM觀察；d）貝殼層結構示意圖

圖2. 五種不同仿貝殼結構模型：a）初始模型α*Wg；b）1.5α*Wg；c）2α*Wg；d）α*1.5Wg；e）α*2Wg

通過對不同柔性材料種類進行對比可以看到，與純PLA層合板結構相比，層間柔性材料的加入極大地提升了層合板的抗沖擊韌性，且PLA-TPU珍珠層結構表現(xiàn)更強的能量吸收能力，具有更好的抗沖擊性能。對不同尺寸參數(shù)的層合板結構進行沖擊性能對比可以看到，隨著剛性六邊形薄片的尺寸增大，即PLA的體積分數(shù)的增大，層合板吸收的沖擊能量減少，結構呈現(xiàn)較大的損傷破壞形式，且層間柔性基體的增多提高了結構的抗沖擊性能。

圖3. 不同尺寸參數(shù)層合板沖擊破壞模式：（a）specimen 3；（b）specimen 4；（c）specimen 5；（d）specimen 6;

Table 1. Energy absorption capacity against drop weight impact

此外，作者還進行了有限元仿真分析，得到與實驗相一致的結果，進一步驗證了模型的準確性，為未來貝殼仿生結構抗沖擊韌性的進一步優(yōu)化研究奠定了基礎，且這種對貝殼珍珠層的結構設計研究可以做為新一代高性能材料體系的進一步優(yōu)化的一個重要研究方向。

參考文獻：
Kwonhwan Ko, Suyeong Jin, Sang Eon Lee, et al. Impact resistance of nacre-like composites diversely patterned by 3D printing[J]. Composite Structures. 2020, 238: 111951.