胞元結(jié)構(gòu)對點陣多孔材料力學性能的影響

1、PAGE 12 -胞元結(jié)構(gòu)對點陣多孔材料力學性能的影響摘要：為豐富點陣多孔材料的胞元結(jié)構(gòu)，提高點陣多孔材料力學性能，文中以PA12（尼龍）粉末為原料，采用激光粉末燒結(jié)（SLS）技術(shù)制備了正立方體、小斜方截半立方體和大斜方截半立方體3種晶胞單元結(jié)構(gòu)的尼龍點陣多孔材料試樣，并通過準靜態(tài)壓縮試驗獲得了3種不同胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點陣多孔材料的工程應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，胞元結(jié)構(gòu)對尼龍點陣多孔材料的壓縮強度、彈性模量等力學性能影響較大;小斜方截半立方體尼龍點陣多孔材料在3種胞元結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出最優(yōu)的力學性能。最后，通過掃描電鏡對斷口形貌進行觀察與分析，發(fā)現(xiàn)尼龍點陣多孔材料的加工缺陷會影響其力學性能;準靜態(tài)壓縮的

2、尼龍點陣多孔材料其斷裂模式為韌性斷裂，與試驗結(jié)果一致。關(guān)鍵詞：選擇性激光燒結(jié);胞元結(jié)構(gòu);點陣多孔材料;尼龍;力學性能中圖分類號：TH145文獻標志碼：A文章編號：1672-9315（2022）02-0356-06DOI：10.13800/ki.xakjdxxb.2022.0221開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：EffectsofunitstructuresonmechanicalpropertiesofporouslatticematerialsWENZhouLIMing（1.CollegeofMechanicalandEngineering，XianUniversityofScien

3、ceandTechnology，Xian710054，China;2.CollegeofSciences，XianUniversityofScienceandTechnology，Xian710054，China）Abstract：Inordertoenrichtheunitstructuresoflatticematerialsandtoimprovethemechanicalpropertiesoflatticematerials，withthePA12（nylon）powderasrawmaterial，selectivelasersintering（SLS）techniquewasus

4、edtopreparethecube，smallrhombicuboctahedronandgreatrhombicuboctahedronnylonlatticematerialsamples，andtheengineeringstress-straindataofnylonlatticematerialsampleswiththreedifferentunitstructureswereobtainedbyquasi-staticcompressiontests.Itisshownthattheunitstructuregreatlyinfluencesthemechanicalprope

5、rtiessuchascompressivestrengthandelasticmodulusofnylonlatticematerials.Thenylonlatticematerialsampleswithasmallrhombicuboctahedronunitstructureshowedthebestmechanicalpropertiesamongallsampleswiththreekindsofunitstructures.Finally，thefracturemorphologywasobservedandanalyzedbyscanningelectronmicroscop

6、e.Itwasfoundthatthemachiningdefectsofnylonlatticematerialhadanimportanteffectonitsmechanicalproperties.Underquasi-staticcompression，thefracturemodeisaductilefracture，whichisconsistentwiththeexperimentalresults.Keywords：selectivelasersintering;unitstructures;porouslatticematerials;nylon;mechanicalpro

7、perties0引言點陣多孔結(jié)構(gòu)是一種由點和邊為單元按一定的空間順序排列而成的結(jié)構(gòu)。具有該結(jié)構(gòu)的材料因其質(zhì)輕、吸能效率高等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)療和航空航天等領(lǐng)域1-4。受制于傳統(tǒng)加工工藝的局限性，點陣多孔材料多為正立方體、蜂窩狀結(jié)構(gòu);隨著增材制造（additivemanufacturing，AM）技術(shù)的不斷發(fā)展，為設(shè)計并制造復(fù)雜的點陣多孔材料提供了可能5-8。高分子點陣多孔材料多采用光固化成型（stereolithographyapparatus，SLA）、熔融沉積快速成型（fuseddepositionmodeling，F(xiàn)DM）和選擇性激光燒結(jié)（selectivelasersinteri

8、ng，SLS）等技術(shù)進行加工9-10。采用FDM技術(shù)制造復(fù)雜點陣多孔材料需要設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)，而去除支撐結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜;SLA技術(shù)使用的原材料來源較為單一，只能使用光敏性材料;SLS技術(shù)克服了前面兩種技術(shù)的缺點，可用于制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高分子點陣材料11-14。近年來已有許多學者對點陣多孔材料進行了研究，但主要集中在金屬點陣多孔材料的研究。如：PLOCHER等通過實驗和有限元法研究了BCC、SP和GY胞元構(gòu)成的點陣均質(zhì)及功能梯度材料的剛度、吸能效率等性能15;CAO等研究了SLM制備的菱形十二面體其形狀參數(shù)對點陣多孔材料力學及能量吸收性能的影響16。尼龍材料因其較優(yōu)的耐磨性、耐腐蝕性和力學性能被廣泛應(yīng)用

9、于服飾、工程和醫(yī)療等領(lǐng)域。目前國內(nèi)外對尼龍點陣多孔材料力學性能的研究報道較少，彭剛等通過實驗法對隨機多孔尼龍材料的彎曲強度進行了研究17;JIN等通過優(yōu)化胞元尺寸參數(shù)提高了BCC尼龍點陣多孔材料力學性能18;NEFF等通過實驗和有限元仿真研究了鉆石胞元尼龍點陣多孔材料的剛度及能量吸收性能19;PORTER等通過實驗和有限元仿真研究了胞元尺寸參數(shù)對BCC和VTM胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點陣多孔材料靜力學性能的影響20。國內(nèi)外學者多關(guān)注于單一胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點陣多孔材料力學性能研究，而對于截半立方體等復(fù)雜胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點陣多孔材料的對比研究未見報道。本研究以正立方體、小斜方截半立方體、大斜方截半立方體為晶胞單

10、元，設(shè)計點陣多孔結(jié)構(gòu);以尼龍12為母料，通過SLS工藝制備三種不同胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點陣多孔材料，對比研究胞元結(jié)構(gòu)對尼龍點陣多孔材料力學性能的影響。本研究對拓展點陣多孔結(jié)構(gòu)的晶胞單元類型和加強尼龍材料的實際應(yīng)用均有著積極的意義。1試驗部分1.1主要原材料PA12粉末：德固賽2161，平均粒徑200目（75m），德國贏創(chuàng)工業(yè)集團。1.2主要設(shè)備及儀器SLS打印設(shè)備：EOSP1103D打印機，德國EOS公司;電子萬能材料試驗機：LE3504，力試（上海）公司;掃描電子顯微鏡（SEM）：Phenompro，荷蘭Phenom（飛納）科學儀器公司。1.3點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計筆者選取正立方體、小斜方截半立方體和大斜方

11、截半立方體3種晶胞單元結(jié)構(gòu)，設(shè)定晶胞單元的驅(qū)動尺寸分別為：邊長L1=15.31mm、直徑D1=1.6mm;正四邊形邊長L2=6.34mm、直徑D2=1.82mm;正八邊形邊長L3=4mm、直徑D3=2mm。通過調(diào)整小斜方截半立方體的正四邊形邊長L2和大斜方截半立方體的正八邊形邊長L3，保證3種晶胞單元結(jié)構(gòu)頂面到底面的距離均為15.31mm;通過調(diào)整D1，D2，D3的值來保證3種晶胞單元結(jié)構(gòu)的相對密度一致。3種晶胞單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。晶胞單元沿X，Y，Z3個方向進行陣列，陣列個數(shù)分別為4，4，4，得到點陣多孔結(jié)構(gòu)。以大斜方截半立方體點陣結(jié)構(gòu)為例，其設(shè)計思路如圖2所示。1.4試樣制備試驗試樣以PA

12、12粉末為原料，采用EOSP1103D打印機進行制備，工藝參數(shù)的設(shè)置見表1。1.5壓縮試驗將制備好的正立方體、小斜方截半立方體和大斜方截半立方體點陣多孔材料試樣按照胞元結(jié)構(gòu)類型分成3組，每組3個試樣。每組試樣均用0.02mm/s的速率進行壓縮，壓縮試驗按照標準ASTMD695-02a進行。試驗裝置如圖3所示。2.1壓縮試驗結(jié)果分析按照試驗號依次進行3組試驗，每組試樣均用0.02mm/s的速率進行壓縮。傳感器測量得到位移和力的數(shù)據(jù)，將試驗數(shù)據(jù)由電腦導(dǎo)出，經(jīng)處理得到應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。將應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin9.1中，可繪得3組試驗的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖4所示。點陣多孔材料的相對密度、壓縮模量和單位

13、體積能量吸收可根據(jù)式（1）（3）進行計算21。式中E為壓縮模量，MPa;y為應(yīng)變在0.02處所對應(yīng)的應(yīng)力，MPa;WV為點陣多孔材料單位體積能量吸收，J/cm3;為應(yīng)變;（）為應(yīng)力，MPa;p*為相對密度;p為點陣多孔材料密度，g/cm3;ps為構(gòu)成多孔材料的基材密度，g/cm3。提取電腦存儲的力和位移數(shù)據(jù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換計算得到應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（1）可計算得到彈性模量，壓縮強度為應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的最大應(yīng)力值。WV為試樣應(yīng)變在00.4區(qū)間內(nèi)的應(yīng)力與X軸所夾面積，可由Origin軟件分析計算得到。經(jīng)過計算得到的不同胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點陣多孔材料力學性能見表2。從表2可知，尼龍點陣多孔材料的力學性能受

14、胞元結(jié)構(gòu)影響較大。小斜方截半立方體具有最優(yōu)的力學性能，其壓縮強度、彈性模量和單位體積能量吸收均比其余2種胞元結(jié)構(gòu)高。正立方體胞元結(jié)構(gòu)的壓縮強度、彈性模量分別比大斜方截半立方體胞元結(jié)構(gòu)高6.5%、94.8%;但其單位體積能量吸收比后者低53.9%。小斜方截半立方體具有較高的壓縮強度和彈性模量，是因為其桿長比正立方體要短，且相對另外2種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)以三角形和正方形2種幾何結(jié)構(gòu)為主，這2種結(jié)構(gòu)有較強的穩(wěn)定性。2.2變形模式分析不同胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點陣多孔材料準靜態(tài)壓縮變形過程由高清相機捕獲并記錄，如圖5所示。準靜態(tài)壓載下的點陣多孔材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線與傳統(tǒng)的二維材料差異較大，如：蜂窩板等二維多孔材料的應(yīng)

15、力-應(yīng)變曲線一般分為線彈性、屈服、平臺區(qū)和密實化4個階段。而點陣多孔材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線無明顯的4個階段，而是一條由多個波峰構(gòu)成的曲線，且波峰值隨著應(yīng)變的增大而依次遞減。隨著位移載荷的不斷增加，試樣受壓其變形逐漸增大，當壓載超過連桿的承壓極限后，連桿被壓斷，其承受載荷轉(zhuǎn)移到其它連桿上導(dǎo)致其它連桿壓斷，而引起點陣多孔材料整層壓潰。尼龍點陣多孔材料由下往上逐層壓潰，如圖5紅色點畫線區(qū)域所示。由圖5（a）可知，正方體胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點陣多孔材料斷裂失效一般發(fā)生在豎直連桿處，主要是因其受豎直方向的壓應(yīng)力壓潰失效所致;對比圖5（b）、（c）可發(fā)現(xiàn)，小斜方截半立方體和大斜方截半立方體尼龍點陣多孔材料斷裂失效

16、一般發(fā)生在水平連桿附件，這是因為其主要受力為水平方向的剪切應(yīng)力。2.3SEM分析文章通過對壓潰失效的試樣斷口進行微觀特征形貌觀察與分析，探究其失效機理。由圖4可知，不同的試樣其壓縮強度、彈性模量等力學性能差異較大。這是由于試樣受原材料、加工工藝等因素的影響而產(chǎn)生一些制造缺陷影響其力學性能，如圖6（a）中存在的碎片及未完全燒結(jié)的母料顆粒、圖6（c）中存在的裂紋與小孔。這些制造缺陷都可能引起尼龍點陣多孔材料力學性能降低，進而引起初始壓潰失效。由圖6（b）可知，小斜方截半立方體尼龍點陣多孔材料斷裂面粗糙、且有細長的拉絲狀毛邊，符合點陣多孔材料韌性斷裂的表征特點。而在圖4（b）所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，

17、3個試樣應(yīng)變均超過0.4，也表現(xiàn)出韌性特征，與圖6（b）形貌分析結(jié)果一致。3結(jié)論1）通過SLS工藝制備了試驗試樣，試驗研究發(fā)現(xiàn)胞元結(jié)構(gòu)對尼龍點陣多孔材料的彈性模量、壓縮強度和單位體積能量吸收等力學性能指標均有較大影響。2）小斜方截半立方體胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點陣多孔材料具有較優(yōu)的力學性能，其彈性模量、壓縮強度和單位體積能量吸收在三者中均為最大;正立方體胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點陣多孔材料的彈性模量和壓縮強度均高于大斜方截半立方體胞元結(jié)構(gòu)，但其單位體積能量吸收低于后者。3）通過試驗研究和SEM觀察發(fā)現(xiàn)，尼龍點陣多孔材料易因原材料、加工工藝等因素的影響產(chǎn)生缺陷，引起坍塌失效;尼龍點陣多孔材料在準靜態(tài)壓縮試驗中，試

18、驗數(shù)據(jù)和斷面表征均表現(xiàn)出該材料的韌性斷裂特征。4）將幾何結(jié)構(gòu)應(yīng)用于胞元結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法經(jīng)試驗驗證，表明該方法對豐富胞元結(jié)構(gòu)構(gòu)型、提高點陣多孔材料力學性能是可行有效的。參考文獻（References）：1孟坤.20222022年世界塑料工業(yè)進展（）：工程塑料J塑料科技，2022，49（4）：1-10.MENGKun.Progressoftheworldsplasticsindustryin20222022（）：EngineeringplasticsJ.PlasticsScienceandTechnology，2022，49（4）：1-10.2黎敏榮，薛平，賈明印，等.連續(xù)玻纖增強原位聚合尼龍6復(fù)合

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