南洋理工大學(xué)：通過(guò)增材制造微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)輕質(zhì)機(jī)械超材料機(jī)械性能

來(lái)源：材料科學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：增材制造(AM)的出現(xiàn)促進(jìn)了具有復(fù)雜幾何特征的輕質(zhì)機(jī)械超材料的制造。在這里，南洋理工大學(xué)周坤教授團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)超材料顯著性能增強(qiáng)的貢獻(xiàn)。采用激光粉末床熔接技術(shù)制備了具有球形孔的立方板格。不同于常用的優(yōu)化AM參數(shù)來(lái)改變熱歷史和由此產(chǎn)生的性能，周琨教授等人采用了一種簡(jiǎn)單的策略，靈感來(lái)自晶體學(xué)和AM特征-傾斜構(gòu)建方向。與正常構(gòu)建取向相比，傾斜構(gòu)建取向使印刷板晶格的微觀結(jié)構(gòu)由(100)主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)?111)和(101)主導(dǎo)，晶粒尺寸顯著細(xì)化，印刷板晶格的抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變分別提高了30%和10%。為了進(jìn)一步定制超材料的性能，我們集成了波浪板拓?fù)湓O(shè)計(jì)，以改善性能的各向同性并增加沖擊衰減。通過(guò)結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為優(yōu)化增材制造的超材料鋪平了道路。

機(jī)械超材料代表了一類(lèi)新型的建筑材料，其特點(diǎn)是通過(guò)合理設(shè)計(jì)的幾何形狀實(shí)現(xiàn)卓越的機(jī)械性能和獨(dú)特的響應(yīng)。這些材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括高剛度、極高的強(qiáng)度重量比、增強(qiáng)的能量吸收能力、可調(diào)諧的波傳播特性、與載荷相關(guān)的負(fù)泊松比和形狀變形響應(yīng)。計(jì)算建模的發(fā)展，特別是人工智能的集成，已經(jīng)徹底改變了設(shè)計(jì)領(lǐng)域，使復(fù)雜幾何形狀的創(chuàng)建和機(jī)械超材料的逆功能設(shè)計(jì)成為可能。盡管它們具有巨大的潛力，但由于其復(fù)雜的特性，傳統(tǒng)的制造方法，包括鑄造、鍛造和機(jī)械加工，都無(wú)法生產(chǎn)它們。其他先進(jìn)的制造技術(shù)，如電化學(xué)沉積和直接激光寫(xiě)入已經(jīng)顯示出前景，但它們的可擴(kuò)展性仍然有限。為了充分利用機(jī)械超材料在各個(gè)行業(yè)的優(yōu)勢(shì)，可擴(kuò)展的制造方法勢(shì)在必行。

新興增材制造(AM)技術(shù)的逐層制造模式能夠以極高的精度創(chuàng)建復(fù)雜的幾何形狀。這一進(jìn)步導(dǎo)致了八元桁架微晶格的發(fā)展，這種微晶格通過(guò)幾乎各向同性的微尺度單元格網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)超輕和超硬的機(jī)械性能。采用投影微立體光刻技術(shù)制備光敏聚合物微晶格，以達(dá)到高精度，支撐尺寸為~ 40 μm。同樣，采用雙光子光刻直接激光寫(xiě)入技術(shù)制備具有八元桁架設(shè)計(jì)的陶瓷納米晶格，形成的支撐厚度在5至60 nm之間。這些由聚合物或陶瓷構(gòu)成的微/納米晶格具有令人印象深刻的機(jī)械性能，使其適用于生物醫(yī)學(xué)或半導(dǎo)體行業(yè)的微觀應(yīng)用。然而，對(duì)于結(jié)構(gòu)工程而言，使用大型金屬部件是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)關(guān)鍵部件的硬性要求。激光粉末床熔融(LPBF)工藝已經(jīng)成功地生產(chǎn)出具有優(yōu)異力學(xué)性能的大型金屬超材料。目前，金屬增材制造工藝的分辨率受到金屬打印機(jī)中激光光束尺寸、粉末粒度和層厚度等因素的限制。通常，微激光器光斑尺寸的最終分辨率在15 μm左右，粉末尺寸在5 ~ 25 μm之間，層厚為10 μm，平均壁厚約為100 μm。盡管存在這些限制，但通過(guò)增材制造工藝的工藝設(shè)計(jì)，高性能超材料的持續(xù)發(fā)展仍然是可以實(shí)現(xiàn)的。這一發(fā)展有可能解決目前的限制，并使制造更大、更復(fù)雜的金屬結(jié)構(gòu)用于結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用，從而滿足航空航天、海洋和近海等行業(yè)的苛刻要求。

增材制造提供的制造自由促進(jìn)了許多增強(qiáng)超材料的新設(shè)計(jì)�！霸�晶”晶格結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)和制造，以允許從類(lèi)似晶界、沉淀和非均相第二相硬化的單位細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)硬化機(jī)制。這種硬化過(guò)程是通過(guò)結(jié)合面心立方(FCC)和體心立方(BCC)晶格胞和具有固有硬度的內(nèi)部晶格析出物之間的邊界實(shí)現(xiàn)的。研究人員進(jìn)一步研究了靠近“元粒”晶格界面的晶格空間取向設(shè)計(jì)，以減少晶格結(jié)構(gòu)的屈服破壞。局部剪切帶導(dǎo)致整體破壞的可能性顯著降低，減小元晶粒尺寸可以提高晶格結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。機(jī)械超材料的設(shè)計(jì)也受到了生物材料和復(fù)合材料概念的啟發(fā)。例如，雙相復(fù)合晶格結(jié)構(gòu)已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，將軟基體與硬晶格結(jié)合在一起，從而提高了剛度、強(qiáng)度和韌性，比能吸收提高了2.5倍。從初始設(shè)計(jì)到測(cè)試階段，具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的成功制造是超強(qiáng)機(jī)械超材料發(fā)展的重要案例研究。然而，各向同性彈性超材料的理論極限受到了基于板的晶格的挑戰(zhàn)，在分析和微型實(shí)驗(yàn)中，基于板的晶格比基于桿的晶格表現(xiàn)出更高的總剛度。因此，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，制造大規(guī)模板基晶格的發(fā)展將為工業(yè)采用超強(qiáng)機(jī)械超材料提供有價(jià)值的見(jiàn)解。

增材制造工藝的另一個(gè)好處是冷卻速度快，這可以導(dǎo)致特定材料的實(shí)質(zhì)性改進(jìn)。例如，與鑄造和鍛造合金相比，am生產(chǎn)的不銹鋼和高熵合金通常同時(shí)表現(xiàn)出強(qiáng)度和延展性的增強(qiáng)。這些微觀結(jié)構(gòu)特征是由所采用的增材制造工藝參數(shù)決定的。此外，這些工藝參數(shù)對(duì)于最小化可能對(duì)其他材料性能產(chǎn)生不利影響的打印缺陷、殘余應(yīng)力和各向異性行為的存在至關(guān)重要。目前對(duì)金屬機(jī)械超材料增材制造設(shè)計(jì)的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，很少考慮最終產(chǎn)品的微結(jié)構(gòu)特征和打印策略的優(yōu)化。因此，為了充分利用增材制造在機(jī)械增強(qiáng)方面的潛力，必須同時(shí)在微觀結(jié)構(gòu)、打印工藝和建筑設(shè)計(jì)之間取得微妙的平衡。這種多維優(yōu)化方法使人們能夠追求具有優(yōu)異性能的機(jī)械超材料，從宏觀尺度的晶格結(jié)構(gòu)到微觀尺度的內(nèi)在微觀結(jié)構(gòu)。

本工作旨在通過(guò)使用LPBF系統(tǒng)的增材制造設(shè)計(jì)來(lái)提高板晶格的機(jī)械性能。通過(guò)戰(zhàn)略性地整合結(jié)構(gòu)幾何和微觀結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)簡(jiǎn)單而有效的印刷策略-傾斜構(gòu)建方向來(lái)微調(diào)板格的特性。因此，這種方法產(chǎn)生了自然多樣的晶體結(jié)構(gòu)和精細(xì)的晶粒，從而顯著提高了能量吸收。將該方法擴(kuò)展到制作具有板波紋的板晶格，以展示該策略的通用性，該策略可以通過(guò)在不同加載方向上的優(yōu)越均勻性和更柔順的變形機(jī)制同時(shí)增強(qiáng)各向同性和沖擊衰減。本研究為增材制造機(jī)械超材料的多尺度優(yōu)化提供了一個(gè)創(chuàng)新方向。

相關(guān)研究成果以“Additive manufacturing of metallic metamaterials with enhanced mechanical properties enabled by microstructural and structural design”發(fā)表在 International Journal of Machine Tools and Manufacture上。

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表1。Johnson-Cook應(yīng)變硬化和速率敏感性參數(shù)

表2。SS316L粉末的化學(xué)成分。

圖1所示。介紹了板基空心簡(jiǎn)單立方(HSC)晶格的設(shè)計(jì)原理和幾何結(jié)構(gòu)，以及孔徑對(duì)其力學(xué)性能的影響。(a) LPBF技術(shù)板基簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)的概念發(fā)展。(b) SC單元格和(c)帶小孔的空心簡(jiǎn)單立方單元格中粉末顆粒的流動(dòng)性示意圖，其中孔和可能的粉末去除路徑分別用紅色圓圈和黑色箭頭表示�；�于板的HSC結(jié)構(gòu)的概念布局及其假設(shè)的晶粒生長(zhǎng)，最大熱梯度方向，以及(d)垂直方向(VO)和(e)傾斜(TO)的掃描策略，黃色箭頭指向LPBF制造樣品中的翹曲水平板。(讀者可參閱本文的網(wǎng)頁(yè)版本，以了解該圖例中有關(guān)顏色的解釋。)

圖2所示。HSC格架的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析。(a)典型的基于簡(jiǎn)單立方板的RVE模型和帶有幾何參數(shù)注釋的4 × 4 × 4 HSC結(jié)構(gòu)的等距視圖和正面視圖。(b)不同孔徑下RVE模型的楊氏模量(S:小;M:中等;L:大)。有限元分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比:(c)不同孔徑HSC結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的比模量，(d)比平臺(tái)應(yīng)力，(e)能量吸收能力，(f)不同孔徑HSC結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。誤差帶表示平均值的±SD (n = 3)。

圖3所示。通過(guò)改變?cè)谠霾闹圃熘械臉?gòu)建方向，可以顯著提高板基SC晶體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。(a)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下VO和TO試樣的應(yīng)力-應(yīng)變行為。(b)不同SS316L晶格結(jié)構(gòu)的吸能能力Ashby圖。

圖4所示。通過(guò)改變構(gòu)建方向來(lái)優(yōu)化HSC晶格中的晶粒紋理。(a) VO和(b) TO模型中晶粒在薄壁中的生長(zhǎng)。反向極圖顯示(c)強(qiáng)的<100>vo構(gòu)建晶格中的晶�？棙�(gòu)和(e)強(qiáng)的<101>和& lt; 111年比;在to構(gòu)建的晶格中的顆粒紋理。(d) vo構(gòu)造晶格和(f) to構(gòu)造晶格的逆極圖映射和Schmid因子映射。

圖5所示。準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下CSC結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。(a)波浪形設(shè)計(jì)適應(yīng)簡(jiǎn)單立方單元格的截面圖。CSC設(shè)計(jì)示意圖:(b) CSC- ss和(c) CSC- ms及其由RVE模型計(jì)算的楊氏模量。SS為小曲率、小孔徑，MS為中曲率、小孔徑。(d)齊納比隨著波板曲率的增加而改善。(e)將TO策略調(diào)整為各向同性CSC-SS設(shè)計(jì)后能量吸收能力的恢復(fù)。

圖6所示。準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果對(duì)比表明，CSC-MS結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布更為均勻。

圖7所示。CSC-SS、CSC-MS和CSC-LS在5%壓縮應(yīng)變(a) xz和(b) xy方向和(c) xz和(d) xy方向在10%壓縮應(yīng)變下的應(yīng)力線圖。

圖8所示。動(dòng)態(tài)落錘沖擊下CSC結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能:(a)反作用力隨時(shí)間的數(shù)值對(duì)比;(b)不同波紋參數(shù)下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖9所示。不同模型在初始力峰值(階段I)和沖擊后平臺(tái)(階段II)的應(yīng)力分布輪廓。

圖10所示。不同HSC和CSC結(jié)構(gòu)的沖擊能量耗散率:(a)塑性耗散能和(b)動(dòng)能。

圖11所示。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值結(jié)果，驗(yàn)證HSC-S和CSC-SS結(jié)構(gòu)在動(dòng)力沖擊試驗(yàn)下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:(a)反作用力隨時(shí)間的變化，(b)首次沖擊前(階段一)和后(階段二)CSC-SS試樣的變形情況。

這項(xiàng)工作提出了微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)合，以提高增材制造的超材料的性能。采用LPBF工藝制備了具有不同波紋度和去粉特性的板格。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證驗(yàn)證了機(jī)械超材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1）在增材制造過(guò)程中，受晶體學(xué)控制啟發(fā)的傾斜構(gòu)建方向的打印策略導(dǎo)致具有(101)和(111)優(yōu)選紋理和精細(xì)晶粒的構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)。在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測(cè)試中，微觀結(jié)構(gòu)的改變使強(qiáng)度提高了30%，應(yīng)變?cè)黾恿?0%，與正常構(gòu)建方向相比，能量吸收提高了45%。

2）通過(guò)進(jìn)一步完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并引入受波浪手性設(shè)計(jì)啟發(fā)的波浪板，對(duì)印刷板格的沖擊衰減進(jìn)行了微調(diào)，使齊納比提高了140%。變形過(guò)程解釋了波浪板在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)軟化高沖擊力的改進(jìn)依從性。

這項(xiàng)創(chuàng)新研究為通過(guò)增材制造技術(shù)生產(chǎn)的金屬機(jī)械超材料的性能改善鋪平了道路，整合了微觀結(jié)構(gòu)、工藝和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。這種策略可能為需要高強(qiáng)度、減輕重量和高能量吸收能力的工程應(yīng)用提供顯著的進(jìn)步。