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嘉峪檢測網 2024-09-27 11:00
點陣材料是由一種或多種結構單元通過特定方式在空間內排列組合（周期性桁架結構）而形成的具有特殊物理和力學性能的有序多孔材料，因具有較高的孔隙率、良好的能量吸收能力和抗沖擊能力， 在航空航天、交通、醫(yī)療等領域具有廣闊的應用前景。與傳統(tǒng)多孔材料相比，這種有序多孔材料具有更強的可設計性和更高的比強度、比剛度和單位質量吸能性，是目前國際上公認的最具發(fā)展?jié)摿Φ妮p質超強韌結構材料之一。近年來，增材制造技術的發(fā)展也極大推動了點陣材料的發(fā)展，使得復雜結構和微小尺寸點陣材料的制備成為可能。
根據結構單元的排列方式，點陣材料可分為二維點陣材料和三維點陣材料。二維點陣材料主要是指由多邊形二維排列組成并在第三方向拉伸成棱柱狀的蜂窩材料，也稱為格柵材料，主要構型包括三角形、正方形、六邊形等；三維點陣材料則是由桿、板等微構件按一定規(guī)律重復排列而成的具有空間點陣 結構的材料，主要構型包括四面體、八面體、立 方體、三維Kagome 等。研究表明，在相同的孔隙率下，三維點陣材料的剛度和承載能力相比二維 點陣材料更強，更適用于緩沖吸能和沖擊防護。
在眾多點陣材料的拓撲結構中，體心立方（BCC）點陣是一種常見的結構，具有結構簡單、能量吸收優(yōu)勢明顯、可制備性強等特點，因而受到國內外學者的廣泛關注。BCC點陣材料的性能可以通過改變BCC點陣結構單胞的尺寸、數量和桿徑等參數進行優(yōu)化。DAR等研究發(fā)現(xiàn)：在相對密度固定的情況下，一定體積內隨著BCC 點陣結構單胞數量的增加，點陣材料的彈性模量、屈服應力和平臺應力均增大，致密化應變減小：壓縮試驗后小尺寸單胞點陣材料表現(xiàn)出逐層遞進式坍塌，而大尺寸單胞點陣材料則表現(xiàn)出屈曲效應，并伴有中心局部變形，說明小尺寸單胞點陣結構更加穩(wěn)定，材料的抗壓強度更高。DONG等通過激光選區(qū)熔化（SLM）技術制備了BCC點陣材料，其彈性模量和屈服強度均隨著單胞桿徑減小而降低。ZHAO等提出了使用錐形桿件構建傳統(tǒng)BCC點陣結構的建模方法，并通過有限元分析和單軸壓縮試驗研究了該點陣材料的力學性能，結果表明錐形桿件顯著降低了BCC點陣結構的各向異性，并使材料的彈性模量提高了67%。MEYER等通過對BCC點陣結構的桿件連接處進行加強處理，獲得了兩種缺口應力優(yōu)化方法，降低了3D打印缺口對點陣材料力學性能的不利影響。PLOCHER 等研究發(fā)現(xiàn)，與均勻密度的BCC點陣材料相比，壓縮載荷下具有適度密度梯度的BCC點陣材料的剛度有一定提高，但繼續(xù)增大密度梯度則會導致其剛度下降。DONG將簡單立方（SC）和BCC點陣結構通過卡扣連接組合，采用真空釬焊技術制備了Ti-6Al-4V合金衍生BCC點陣材料，壓縮試驗結果表明衍生BCC點陣材料比傳統(tǒng)BCC點陣材料具有更高的承載能力。
目前，對BCC點陣結構優(yōu)化的研究主要集中在BCC點陣結構單胞尺寸、桿徑、梯度和缺陷等方面，而對桿件數量、連接方式的研究較少。此外，由于涉及到局部微結構變化，不僅建模難度會增加，3D打印試樣的精度也難以保證?；诖耍髡咛岢隽艘?種具有豎直支撐桿件的衍生BCC結構，并對其進行參數化設計，采用SLM技術制備了不同結構及參數的AlSi10Mg合金點陣試樣，通過壓縮試驗測試了試樣的力學行為和吸能特性，并對其變形模式及損傷機理進行了分析，以期為輕量化強韌點陣結構的設計提供理論依據，并為實際應用提供參考。
1、試樣制備與試驗方法
采用Catia軟件進行建模設計，分別在傳統(tǒng)BCC點陣結構（H0型）的單胞外圍以及外圍和中心添加豎直桿，設計出H1型和H2型2種衍生BCC點陣結構。3種BCC點陣結構的平面結構、單胞結構及整體結構如圖1所示；整體結構由單胞在x，y和z方向進行線性陣列得到。單胞的主要參數包括單胞高度h、單胞寬度l、單胞相對密度ρ 、斜桿/外圍豎直桿桿徑d1、中心豎直桿桿徑d2，具體數值見表1。其中，ρ采用公式計算得到，公式如下：
式中：ρ0，ρs分別為單胞的表觀密度和實體桿密度。
圖1 3 種 BCC 點陣結構的平面、單胞和整體結構
按照表1中設計的單胞參數，采用SLM550型三維打印機在x，y和z方向各制備4個單胞而得BCC點陣試樣。試驗原料為AlSi10Mg合金粉末，由武漢易成三維科技有限公司提供，粉末顆粒呈球形（見圖2），粒徑在15~53μm，分布較為均勻，化學成分（質量分數/%）為9.0Si，0.55Fe，0.05Cu，0.2~0.45Mn，0.25~0.45Mg，0.05Ni，0.10Zn，0.05Pb，0.05Sn，0.15Ti，余Al。打印時的激光功率為500W，掃描速度為1300mm·s −1，掃描間距為0.1mm，鋪粉層厚為100μm。打印結束后，為提高點陣試樣的強韌性，在SX-GO7123型節(jié)能箱式電爐中對其進行280℃×2h的退火處理。
表1 3種BCC點陣結構單胞的主要參數
圖 2 AlSi10Mg 合金粉末的微觀形貌
制備的3種點陣結構試樣的宏觀形貌如圖3所示（每種結構舉一例）。在試驗條件下，不同尺寸參數、不同點陣結構試樣的整體成形效果均良好，與三維模型吻合，桿件表面較為光滑，無明顯缺陷。采用 Model 43 MTS型萬能試驗機對點陣試樣進行準靜態(tài)壓縮試驗，應變速率為1.4×10−3s−1。根據獲得的壓縮應力-應變曲線，計算單位質量吸能、能量吸收效率、比強度和平臺應力，公式如下：
式中：ws為單位質量吸能；εD為致密應變，即能量吸 收效率最大時對應的應變；ε為應變；σ(ε)為應力；ρs為AlSi10Mg合金密度；η為能量吸收效率；σp*為0~ε應變內的最大應力；σss為比強度；σpl為平臺應力；σs為屈服強度。
圖 3 H0、H1和H2型BCC點陣試樣的宏觀形貌
2、試驗結果與討論
2.1 壓縮行為和吸能特性
由圖4可知：3種BCC點陣試樣的壓縮過程均可分為3個典型階段，即線彈性階段（區(qū)域I）、 平臺階段（區(qū)域Ⅱ)和致密化階段（區(qū)域Ⅲ)，應力達到屈服點后明顯下降，屬拉伸主導型多孔材料。由表2可知：與H0型和H1型BCC點陣試樣相比（在相同的單胞高度、單胞寬度、斜桿/外圍豎直桿桿徑 下），H2型BCC點陣試樣的比強度、平臺應力和單位質量吸能最大，H1型次之，H0型最小，說明H2型BCC點陣試樣的壓縮性能和吸能特性最強。
圖 4 3 種 BCC點陣試樣的壓縮應力-應變曲線
表2 3種BCC點陣試樣的力學性能
隨著單胞高度增加，H1型點陣試樣的比強度和單位質量吸能基本不變，這主要是因為在試驗高度范圍內豎直桿的抗彎能力基本相同；平臺應力起伏略微增大，這是材料相對密度隨單胞高度增加而降低導致其穩(wěn)定性下降所致。隨著單胞寬度增加，H1型點陣試樣的比強度、平臺應力和單位質量吸能明顯降低，這一方面是因為試樣的相對密度有所降低，另一方面是因為單胞斜桿長度增加且與水平方向的夾角減小使得桿件在加載方向承載分量降低。隨著單胞斜桿及外圍豎直桿桿徑增加，H1型點陣試樣的比強度、平臺應力和單位質量吸能均明顯提升，這是 因為桿件的剛度和抗壓強度隨桿徑增加而增大，抗彎能力增強，同時點陣試樣相對密度的提高也使其更加穩(wěn)定；隨著單胞中心豎直桿桿徑增加，H2型點陣試樣的比強度、平臺應力和單位質量吸能增大，這同樣得益于抗彎能力的增強和相對密度的提高。
由圖5可見：H1、H2型BCC點陣試樣在彈性階段的能量吸收效率隨應變增加快速增大，到達屈服點后增大速度變慢，這是由于平臺階段應力降低導致的；達到致密應變附近，能量吸收效率開始快速減小，這是因為致密化階段峰值應力迅速升高而試樣吸能較少。隨著單胞高度增加，H1型BCC點陣試樣的能量吸收效率減小，但減小幅度不大；隨著斜桿和外圍豎直桿桿徑增加，能量吸收效率顯著增大，但當桿徑增加至0.8mm及以上時，能量吸收效率變化不再明顯，說明斜桿和外圍豎直桿桿徑增加對能量吸收效率的提升存在臨界效應；單胞寬度對能量吸收效率基本沒有影響。隨著中心豎直桿桿徑增加，H2型BCC點陣試樣的能量吸收效率呈現(xiàn)一定幅度的提升。
圖5 H1、H2型 BCC點陣試樣的能量吸收效率隨應變的變化曲線
2.2 變形模式
不同結構參數下衍生BCC點陣試樣的變形模式大致相似，以h，l，d1分別為5，6，0.8mm的H1型BCC點陣試樣為例進行分析。由圖6可見，在初始階段，試樣最下層先變形，豎直桿在應力作用下向兩側彎曲，斜桿在垂直方向上彎曲變形。當應變?yōu)?.1時，變形區(qū)域（方框圈出部分）中豎直桿的變形幅度大于斜桿，這是因為豎直桿承受的力大于斜桿，并且斜桿構成的交叉結構比豎直桿穩(wěn)固。隨著應變增加，變形區(qū)域向上層傳遞并逐漸擴大，這是因為在壓縮過程中，豎直桿的應變速率大于斜桿，當豎直桿因大幅變形甚至斷裂失去支撐作用時，一部分應力便轉移到斜桿上，使斜桿承受的應力增加，當斜桿也失效時，應力便傳遞到鄰近區(qū)域的單胞層，因此呈現(xiàn)逐層變形趨勢。當應變達到0.4~0.5時，部分桿件開始斷裂，這是因為壓縮過程中桿件隨應變增加而變形并向不同方向移動，桿與桿相互拉扯或擠壓，導致桿連接處產生較大應力集中，從而發(fā)生斷裂。
圖6 不同應變下H1型BCC點陣試樣的形貌（h=5 mm，l=6 mm，d1=0. 8 mm）
3、結 論
（1）傳統(tǒng)和衍生BCC點陣試樣的壓縮過程均包括線彈性階段、平臺階段、致密化階段等3個階段， 屬拉伸主導型多孔材料。在外圍和中心均添加與H0型BCC點陣結構中斜桿桿徑相同的豎直桿而得到的H2型BCC點陣試樣的比強度、平臺應力和單位質量吸能最大，僅在外圍添加豎直桿的H1型BCC點陣試樣次之，傳統(tǒng)的H0型BCC點陣試樣最小。
（2）隨著單胞高度增加，H1型點陣試樣的比強度和單位質量吸能基本不變，平臺應力起伏略微增大，能量吸收效率小幅減?。浑S著單胞寬度增加，比強度、平臺應力和單位質量吸能明顯降低，能量吸收效率不變；隨著單胞斜桿及外圍豎直桿桿徑增加，比強度、平臺應力和單位質量吸能明顯增大，能量吸收效率先明顯提升后趨于穩(wěn)定。隨著單胞中心豎直桿桿徑增加，H2型點陣試樣的比強度、平臺應力和單位質量吸能增大，能量吸收效率提升。
（3）衍生BCC點陣試樣的變形模式主要為由下到上的逐層變形，損傷機制為豎直桿的側向彎曲和斜桿的垂直方向彎曲。
作者：
許 童 1，羅嘉琪 1，王幸福 2，李先雨 1，汪 聃 1，郝剛領 1，王新福 1
工作單位：
1. 延安大學物理與電子信息學院，
2. 中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所
來源：《機械工程材料》2024年6期
來源：機械工程材料
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