以竹子為啟發(fā)的連續(xù)梯度結(jié)構(gòu)高效材料

供稿人：李賽、魯中良
供稿單位：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(xué)會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

由于竹子的輕質(zhì)和高強度，其在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。天然竹子由纖維增強材料構(gòu)成，并擁有多孔的漸變結(jié)構(gòu)，這使其具備卓越的力學(xué)性能。這種多孔度梯度是通過維管束的獨特分布所形成的�？茖W(xué)家和工程師長期以來一直在嘗試模仿這種結(jié)構(gòu)，然而，由于仿竹漸變材料的制造具有挑戰(zhàn)性，孔隙梯度分布對力學(xué)性能的作用仍缺乏定量研究。

圖1 竹子微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

Mao等人[1]定量的揭示了竹子內(nèi)部細(xì)胞的結(jié)構(gòu)設(shè)計。他們設(shè)計了六種模型，這些模型以自然界中竹子嵌入多孔的薄壁組織中的密集化維管束為特征，其截面具有分層多孔結(jié)構(gòu)，并且孔隙度在不同層之間出現(xiàn)梯度連續(xù)變化。其設(shè)計的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 仿生模型的CAD設(shè)計及孔隙率統(tǒng)計

為了研究結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能的影響，該研究團隊通過DLP制備了對應(yīng)的模型。根據(jù)觀察到的天然竹子不同的彎曲行為（圖1f），其將密集區(qū)域放置在受拉面上，以實現(xiàn)更高的能量吸收。從結(jié)果中可以看到“無梯度”材料在破裂前的位移最小，并且負(fù)荷-位移曲線平穩(wěn)上升，直到發(fā)生突然而災(zāi)難性的破壞（圖3a）。在具有“小”和“大”梯度的模型中，隨著多孔度梯度的增加，最大位移也增加。然而，梯度模型的最大載荷并未顯示出明顯的改善。與此同時，負(fù)荷-位移曲線呈線性增加，但在位移約為2毫米時開始出現(xiàn)波動。通過增加連續(xù)性，最大載荷得到了大幅改善（圖3c）。梯度斜率對于前一模型中觀察到的效果具有類似的作用。沒有梯度的模型顯示出最小的破裂位移和平穩(wěn)的負(fù)荷-位移行為。當(dāng)梯度斜率變得更陡時，破裂位移和最大載荷均增加。圖3e、f結(jié)果表明不同模型中的最大載荷和能量吸收梯度的大小和連續(xù)性都對力學(xué)性能有顯著影響。引入連續(xù)且大范圍的梯度變化可以使最大彎曲負(fù)荷和能量吸收能力分別增加40%和110%。這些仿竹細(xì)胞結(jié)構(gòu)為耐損工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了高效的解決方案。

圖3 設(shè)計模型的性能測試

參考文獻：
A. Mao, J. Chen, X. Bu, L. Tian, W. Gao, E. Saiz, H. Bai, Bamboo-Inspired Structurally Efficient Materials with a Large Continuous Gradient, Small (2023) e2301144.