3D打印珍珠層狀復(fù)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)因其優(yōu)異的力學(xué)性能而在防護(hù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中，貝殼結(jié)構(gòu)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(jìn)行了貝殼仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)構(gòu)的抗沖擊性能的影響進(jìn)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(jié)構(gòu)，這種特殊構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖1. 貝殼結(jié)構(gòu)：a）整體結(jié)構(gòu)；b）典型橫截面；c）內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)SEM觀察；d）貝殼層結(jié)構(gòu)示意圖

圖2. 五種不同仿貝殼結(jié)構(gòu)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(jìn)行對比可以看到，與純PLA層合板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進(jìn)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?jǐn)?shù)的增大，層合板吸收的沖擊能量減少，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jìn)行了有限元仿真分析，得到與實驗相一致的結(jié)果，進(jìn)一步驗證了模型的準(zhǔn)確性，為未來貝殼仿生結(jié)構(gòu)抗沖擊韌性的進(jìn)一步優(yōu)化研究奠定了基礎(chǔ)，且這種對貝殼珍珠層的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究可以做為新一代高性能材料體系的進(jìn)一步優(yōu)化的一個重要研究方向。

參考文獻(xiàn)：
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.