增材制造多孔陶瓷結(jié)構(gòu)的機械性能

供稿人：陳衍龍、連芩
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

以點陣結(jié)構(gòu)為典型代表的多孔結(jié)構(gòu)，因其輕量化、結(jié)構(gòu)可設計、結(jié)構(gòu)功能一體化等優(yōu)異特性受到了越來越多的研究與關(guān)注。陶瓷材料具有低密度、高強度、優(yōu)異的耐化學腐蝕特性，在極端環(huán)境下具有更優(yōu)的應用前景。但由于陶瓷材料的脆性大、硬度高，傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)復雜異形陶瓷點陣結(jié)構(gòu)的制備，這極大制約了陶瓷材料點陣結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究。

北京理工大學的何汝杰團隊系統(tǒng)研究了3D打印陶瓷材料點陣結(jié)構(gòu)的承載性能，該團隊利用光固化DLP技術(shù)制備了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)(相對密度、胞元層數(shù)、胞元大小和胞元構(gòu)型)的Al2O3點陣結(jié)構(gòu)，打印結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過準靜態(tài)壓縮測試發(fā)現(xiàn)，增加相對密度會使單層Al2O3點陣結(jié)構(gòu)的力學性能以指數(shù)規(guī)律提升，且失效模式會發(fā)生轉(zhuǎn)變。然而，相對密度提高帶來的質(zhì)量增加對結(jié)構(gòu)的輕量化不利。

圖1 （a）不同相對密度和不同層數(shù)的Al2O3點陣結(jié)構(gòu)宏微觀形貌；（b）小尺寸胞元和 (c) 不同構(gòu)型的Al2O3點陣結(jié)構(gòu)宏觀形貌

單層和雙層Al2O3點陣結(jié)構(gòu)的力學性能相似，且顯著低于三層Al2O3點陣結(jié)構(gòu)的力學性能，如圖2所示。層數(shù)能顯著放大相對密度對Al2O3點陣結(jié)構(gòu)力學性能的影響并改變其失效模式。隨著層數(shù)增加，Al2O3點陣結(jié)構(gòu)由沿節(jié)點的隨機取向破壞向沿特定取向的平面破壞，如圖3所示�？s小胞元尺寸能在不損失結(jié)構(gòu)輕量化效果、不改變失效模式的前提下提高其力學性能。因此，在縮小胞元尺寸的同時適當降低相對密度既能滿足結(jié)構(gòu)件的承重需求，又不會降低其輕量化效果。

圖2 不同相對密度和層數(shù)的Al2O3點陣結(jié)構(gòu)力學性能總結(jié) (a)抗壓強度、(b)楊氏模量、(c)能量吸收、(d)比抗壓強度、(e)比楊氏模量、(f)比能量吸收、(g)應變

圖3 不同相對密度和層數(shù)的Al2O3點陣結(jié)構(gòu)失效模式總結(jié)

胞元構(gòu)型對Al2O3點陣結(jié)構(gòu)的力學性能有顯著影響。Al2O3點陣結(jié)構(gòu)壓縮強度和楊氏模量從高到低對應的構(gòu)型依次為：改進體心立方構(gòu)型、Octet、SchwarzP、IWP和體心立方，如圖4所示。胞元構(gòu)型對Al2O3點陣結(jié)構(gòu)的失效模式幾乎沒有影響，Al2O3點陣結(jié)構(gòu)中被破壞的節(jié)點大部分都集中于特定取向平面。

圖4 不同構(gòu)型的Al2O3點陣結(jié)構(gòu)以及其力學性能總結(jié)

最后，團隊系統(tǒng)地歸納了在壓縮載荷下，相對密度、胞元層數(shù)、胞元尺寸及胞元構(gòu)型等結(jié)構(gòu)參數(shù)對胞狀陶瓷結(jié)構(gòu)力學行為的影響規(guī)律，厘清了各參數(shù)間的耦合關(guān)系對胞狀陶瓷結(jié)構(gòu)力學性能的影響，為設計和研究具有特定力學性能的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)奠定了基礎。

參考文獻：
Zhang X,ZAHGN K,ZHANG B, et al. Mechanical properties of additively-manufactured cellular ceramic structures: A comprehensive study. Journal of Advanced Ceramics,2022,11(12):1918-1931.