中文字幕一级黄色A级片|免费特级毛片。性欧美日本|偷拍亚洲欧美1级片|成人黄色中文小说网|A级片视频在线观看|老司机网址在线观看|免费一级无码激情黄所|欧美三级片区精品网站999|日韩av超碰日本青青草成人|一区二区亚洲AV婷婷

結(jié)合錯(cuò)層結(jié)構(gòu)和梯度設(shè)計(jì)，文章提出了一種具有梯度錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的二維生物仿生珍珠層復(fù)合材料。采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了常規(guī)錯(cuò)層和梯度錯(cuò)層仿珍珠層復(fù)合材料中裂紋的起裂和擴(kuò)展行為。使用3D打印技術(shù)制造了具有預(yù)制裂紋的仿生復(fù)合材料樣品，并進(jìn)行了單軸拉伸試驗(yàn)，以探索其裂紋擴(kuò)展行為。對(duì)于具有周期性錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的仿生復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)層角度在復(fù)合材料的增韌機(jī)制中起著重要作用。在具有大錯(cuò)層角度的仿生復(fù)合材料中，通過(guò)結(jié)構(gòu)梯度設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了裂紋抑制效應(yīng)，有效防止了災(zāi)難性失效。在數(shù)值分析框架內(nèi)，采用粘聚力區(qū)建模方法來(lái)表示材料的較軟相，并通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直接比較驗(yàn)證了數(shù)值模擬。此外，還進(jìn)行了一系列數(shù)值分析，以理解結(jié)構(gòu)梯度如何影響這些珍珠層復(fù)合材料中裂紋的擴(kuò)展。這項(xiàng)研究不僅闡明了錯(cuò)層珍珠層復(fù)合材料固有的變形和增韌機(jī)制，而且還為通過(guò)結(jié)構(gòu)梯度設(shè)計(jì)仿生材料開(kāi)辟了新的策略。

一、 引言

生物材料在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的力學(xué)性能。珍珠層作為典型的生物材料，其獨(dú)特的“磚-泥”結(jié)構(gòu)賦予了其高強(qiáng)度、高剛度和高韌性的特性。近年來(lái)，研究者們致力于仿生珍珠層復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備，以期在航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。錯(cuò)層結(jié)構(gòu)是珍珠層增韌的重要機(jī)制之一，但其過(guò)強(qiáng)的錯(cuò)層效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致材料韌性下降。此外，梯度設(shè)計(jì)在生物材料中廣泛存在，其對(duì)材料力學(xué)性能的影響也受到關(guān)注。目前，關(guān)于錯(cuò)層結(jié)構(gòu)和梯度設(shè)計(jì)對(duì)仿生珍珠層復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展行為的影響機(jī)制仍需深入研究。

近日，期刊《Composite Structures》發(fā)表了一篇由北京航空航天大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)完成的有關(guān)梯度錯(cuò)層結(jié)構(gòu)仿珍珠層復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展行為研究的成果。該研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，探究了具有梯度錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的仿珍珠層復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展行為，并分析了錯(cuò)層角度和梯度設(shè)計(jì)對(duì)材料力學(xué)性能的影響。論文標(biāo)題為“Experimental and numerical investigation on crack propagation in biomimetic nacreous composites with gradient structures”。

二、研究?jī)?nèi)容及方法

文章設(shè)計(jì)了兩種類(lèi)型的預(yù)裂紋試樣：規(guī)則互鎖復(fù)合材料（regular interlocked composites；RICs）和梯度互鎖復(fù)合材料（gradient interlocked composites；GICs），這些試樣由Objet Connex260多材料3D打印機(jī)制造。該打印機(jī)能夠同時(shí)打印兩種或更多類(lèi)型的材料，每種材料通過(guò)打印頭噴射并通過(guò)紫外線(xiàn)光固化，從而在不同材料之間產(chǎn)生優(yōu)異的粘附性。使用剛性聚合物VeroWhitePlus（VW+）和類(lèi)似橡膠的聚合物TangoBlackPlus（TB+）分別作為硬磚和軟基質(zhì)相。所有試樣沿面板的相同方向打印以消除打印方向的影響。為了便于測(cè)試機(jī)的夾持，試樣的兩端用VW+材料打印出夾持區(qū)域。因此，實(shí)驗(yàn)中獲得的應(yīng)變等于測(cè)試機(jī)位移除以有效寬度，應(yīng)力等于支撐反力除以最大橫截面積。

此外，測(cè)試前還使用刀片加深并銳化了裂紋。使用的測(cè)試設(shè)備包括50 KN Instron伺服液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)和數(shù)字相機(jī)，加載過(guò)程通過(guò)位移控制，加載速率為1毫米/分鐘，直至試樣失效。加載數(shù)據(jù)和試樣在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的圖像以每秒鐘20點(diǎn)和每分鐘12張照片的速率記錄。

圖 1. (a) 由 Objet Connex260 多材料 3D 打印機(jī)準(zhǔn)備的 3D 打印樣品。(b) 實(shí)驗(yàn)裝置包括測(cè)試機(jī)和數(shù)碼相機(jī)。

文章采用有限元軟件Abaqus/Explicit建立了仿珍珠層復(fù)合材料模型。首先建立了經(jīng)典磚-砂漿結(jié)構(gòu)代表性體積單元 (representative volume element；RVE) 模型，并討論了錯(cuò)層角度α對(duì)磚形狀的影響。以α作為變量，基于α的不同值，磚的形狀可以分為三種情況：反梯形（α > 0°）、矩形（α = 0°）和梯形（α < 0°）。文中特別關(guān)注矩形和反梯形磚結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展行為，并通過(guò)模擬方法探討了梯形磚結(jié)構(gòu)對(duì)珍珠層復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展行為的影響。

建立了五個(gè)不同互鎖角的RIC有限元模型，并預(yù)設(shè)了一個(gè)垂直于層的單邊裂紋，裂紋長(zhǎng)度保持為寬度的約10%，以確保所有試樣的初始裂紋尖端都位于磚內(nèi)。邊界條件模擬實(shí)驗(yàn)中的夾持，模型在左端固定，右端施加均勻位移載荷。

對(duì)于GIC，提出了三種不同梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案，梯度復(fù)合材料通過(guò)沿x軸重復(fù)RVE形成單層，然后將包含特定互鎖角的層沿y軸堆疊，堆疊方式稱(chēng)為分布形式。文中采用了從0°到9°的線(xiàn)性分布的互鎖角，模擬了竹節(jié)截面的組成梯度和生物啟發(fā)的Bouligand結(jié)構(gòu)的方向梯度，以初步檢驗(yàn)梯度設(shè)計(jì)的互鎖角是否可以防止復(fù)合材料的災(zāi)難性破壞。

圖 2. (a) 珍珠層狀復(fù)合材料中 RVE 的幾何模型；(b) 代表性規(guī)則互鎖復(fù)合材料 (RIC-4?) 的有限元模型及邊界條件。

關(guān)于用于制造仿生珍珠層復(fù)合材料的兩種光固化聚合物TB+和VW+，分別代表砂漿和磚塊。文中展示了這兩種基本組分在實(shí)驗(yàn)中在拉伸下的力學(xué)響應(yīng)，以及硬相材料在數(shù)值模擬中的行為。由于實(shí)驗(yàn)中不同相之間的粘附性極佳，模型中忽略了磚塊和砂漿之間的界面。采用內(nèi)聚區(qū)模型（cohesive zone model；CZM）來(lái)代替薄厚度的軟相材料，解決了有限元模擬模型中的收斂問(wèn)題，同時(shí)提高了計(jì)算效率。文中假設(shè)軟相材料表現(xiàn)出線(xiàn)彈性斷裂行為，并確定了四個(gè)CZM參數(shù)：法向剛度、法向強(qiáng)度、切向剛度和切向強(qiáng)度。通過(guò)反向推斷結(jié)合實(shí)驗(yàn)得到的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)結(jié)果，確定了RIC-0°樣品的CZM參數(shù)，最終得到的CZM參數(shù)與文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)一致。

圖 3. （a）梯度互鎖復(fù)合材料的構(gòu)型，其中包含沿 y 軸的三種分布形式的互鎖角。圖片顯示了（b）參考文獻(xiàn) [66] 中的成分梯度的分布和（c）參考文獻(xiàn) [67] 中的取向梯度的分布。

圖 4. (a) 實(shí)驗(yàn)和模擬中組件的機(jī)械行為。(b) 經(jīng)典磚砂漿模型中的 RVE。

文章還通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬探討了RICs和GICs在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的變形和增韌機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)互鎖角較小時(shí)，RICs的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)可以分為四個(gè)階段，每個(gè)階段都伴隨著不同的裂紋擴(kuò)展和增韌行為，如微裂紋、裂紋橋接、裂紋偏轉(zhuǎn)和磚塊拉出等。梯度互鎖結(jié)構(gòu)通過(guò)改變互鎖角度的分布，能夠有效調(diào)節(jié)裂紋擴(kuò)展路徑，增加裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋捕獲機(jī)制，從而提高材料的韌性。這些機(jī)制共同作用，顯著提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能，尤其是在防止災(zāi)難性破壞方面表現(xiàn)出顯著的效果。

圖 5. (a) 單軸拉伸試驗(yàn)下預(yù)缺口 RIC 的應(yīng)力-應(yīng)變圖和變形過(guò)程中不同互鎖角的 RIC 的斷裂擴(kuò)展圖像：(b) α = 0°，(c) α = 2°，(d) α = 4°，(e) α = 6°，(f) α = 8°。

數(shù)值模擬得到的預(yù)制裂紋RICs和GICs在單軸拉伸下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在總體趨勢(shì)上一致，顯示出數(shù)值模擬能夠很好地描述復(fù)合材料的彈性階段和隨后的非線(xiàn)性裂紋擴(kuò)展行為。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)和模擬中裂紋的起始和擴(kuò)展過(guò)程，發(fā)現(xiàn)模擬能夠再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到的四個(gè)變形階段和增韌機(jī)制，如非局部裂紋、裂紋橋接和裂紋偏轉(zhuǎn)。盡管數(shù)值模擬在峰值應(yīng)力的預(yù)測(cè)上略有低估，但總體上能夠捕捉到復(fù)合材料的力學(xué)行為，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法在描述這類(lèi)復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展行為中的有效性。

圖 6. (a) 單軸拉伸試驗(yàn)下預(yù)缺口GICs的應(yīng)力-應(yīng)變圖和變形過(guò)程中不同梯度設(shè)計(jì)的GICs的斷裂擴(kuò)展圖像：(b) GIC1-[0°9°]2，(c) GIC2-[0°9°]s，(d) GIC3-[9°0°]s。

研究發(fā)現(xiàn)，引入具有互鎖角度的梯度設(shè)計(jì)可以防止由大互鎖角度引起的災(zāi)難性破壞，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可能性，這種設(shè)計(jì)同時(shí)增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度和韌性。在梯度互鎖模擬珍珠層復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，當(dāng)裂紋尖端擴(kuò)展到非互鎖區(qū)域時(shí)，會(huì)發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)，成功捕獲并阻止裂紋擴(kuò)展，從而防止了復(fù)合材料的災(zāi)難性破壞。此外，研究還探討了梯度設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展行為的影響，發(fā)現(xiàn)梯度周期數(shù)和最大互鎖角度的不同組合對(duì)材料的強(qiáng)度和韌性有不同的影響，梯度設(shè)計(jì)優(yōu)化可以顯著提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

圖 7. 單軸拉伸下預(yù)切口（a）RIC 和（b）GIC 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的數(shù)值結(jié)果。（c）RIC-0? 和（d）GIC1 在實(shí)驗(yàn)和模擬中的詳細(xì)變形過(guò)程比較。

三、 小結(jié)

該研究揭示了錯(cuò)層角度和梯度設(shè)計(jì)對(duì)仿生復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展行為的影響機(jī)制，為設(shè)計(jì)具有高強(qiáng)高韌性的生物仿生材料提供了新的思路。

原始文獻(xiàn)：

Tong Xia, Shaokang Cui, Zhenyu Yang, Zixing Lu. Experimental and numerical investigation on crack propagation in biomimetic nacreous composites with gradient structures. Composite Structures 345 (2024) 118346.

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118346