胞元結構對點陣多孔材料力學性能的影響

文 周，李 明

(1.西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 理學院，陜西 西安 710054)

0 引 言

點陣多孔結構是一種由點和邊為單元按一定的空間順序排列而成的結構。具有該結構的材料因其質輕、吸能效率高等優點而廣泛應用于汽車、醫療和航空航天等領域[1-4]。受制于傳統加工工藝的局限性，點陣多孔材料多為正立方體、蜂窩狀結構；隨著增材制造(additive manufacturing,AM)技術的不斷發展，為設計并制造復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(stereolithography apparatus,SLA)、熔融沉積快速成型(fused deposition modeling,FDM)和選擇性激光燒結(selective laser sintering,SLS)等技術進行加工[9-10]。采用FDM技術制造復雜點陣多孔材料需要設計支撐結構，而去除支撐結構較為復雜；SLA技術使用的原材料來源較為單一，只能使用光敏性材料； SLS技術克服了前面兩種技術的缺點，可用于制造復雜結構的高分子點陣材料[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胞元構成的點陣均質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]。尼龍材料因其較優的耐磨性、耐腐蝕性和力學性能被廣泛應用于服飾、工程和醫療等領域。目前國內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等通過優化胞元尺寸參數提高了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對BCC和VTM胞元結構的尼龍點陣多孔材料靜力學性能的影響[20]。

國內外學者多關注于單一胞元結構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雜胞元結構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元，設計點陣多孔結構；以尼龍12為母料，通過SLS工藝制備三種不同胞元結構的尼龍點陣多孔材料，對比研究胞元結構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構的晶胞單元類型和加強尼龍材料的實際應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2 161，平均粒徑200目(75 μm)，德國贏創工業集團。

1.2 主要設備及儀器

SLS打印設備：EOS P1103D打印機，德國EOS公司；電子萬能材料試驗機：LE 3504，力試(上海)公司；掃描電子顯微鏡(SEM)：Phenom pro，荷蘭Phenom(飛納)科學儀器公司。

1.3 點陣結構設計

筆者選取正立方體、小斜方截半立方體和大斜方截半立方體3種晶胞單元結構，設定晶胞單元的驅動尺寸分別為：邊長L1=15.31 mm、直徑D1=1.6 mm；正四邊形邊長L2=6.34 mm、直徑D2=1.82 mm；正八邊形邊長L3=4 mm、直徑D3=2 mm。通過調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種晶胞單元結構頂面到底面的距離均為15.31 mm；通過調整D1，D2，D3的值來保證3種晶胞單元結構的相對密度一致。3種晶胞單元結構如圖1所示。

圖1 3種晶胞單元結構Fig.1 Three unit structures

晶胞單元沿X，Y，Z3個方向進行陣列，陣列個數分別為4，4，4，得到點陣多孔結構。以大斜方截半立方體點陣結構為例，其設計思路如圖2所示。

圖2 大斜方截半立方體點陣結構設計思路Fig.2 Designing method of great rhombcuboctahedron lattice structure

1.4 試樣制備

試驗試樣以PA12粉末為原料，采用EOS P110 3D打印機進行制備，工藝參數的設置見表1。

表1 SLS加工工藝參數設置Table 1 Setting of SLS processing parameters

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構類型分成3組，每組3個試樣。每組試樣均用0.02 mm/s的速率進行壓縮，壓縮試驗按照標準ASTM D695-02a進行。試驗裝置如圖3所示。

圖3 壓縮試驗裝置Fig.3 Experimental setup used for compression tests

2 結果與討論

2.1 壓縮試驗結果分析

按照試驗號依次進行3組試驗，每組試樣均用0.02 mm/s的速率進行壓縮。傳感器測量得到位移和力的數據，將試驗數據由電腦導出，經處理得到應力應變數據。將應力應變數據導入Origin 9.1中，可繪得3組試驗的應力應變曲線，如圖4所示。點陣多孔材料的相對密度、壓縮模量和單位體積能量吸收可根據式(1)～(3)進行計算[21]。

圖4 不同胞元結構的點陣多孔材料應力-應變曲線Fig.4 Compressive stress-strain curves of differnt lattice structures

(1)

(2)

(3)

式中E為壓縮模量，MPa；δy為應變在0.02處所對應的應力，MPa；WV為點陣多孔材料單位體積能量吸收，J/cm3；ε為應變；δ(ε)為應力，MPa；p*為相對密度；p為點陣多孔材料密度，g/cm3；ps為構成多孔材料的基材密度，g/cm3。

提取電腦存儲的力和位移數據，經過轉換計算得到應力應變數據，根據公式(1)可計算得到彈性模量，壓縮強度為應力-應變曲線中的最大應力值。WV為試樣應變在0～0.4區間內的應力與X軸所夾面積，可由Origin軟件分析計算得到。經過計算得到的不同胞元結構的尼龍點陣多孔材料力學性能見表2。

表2 不同胞元結構尼龍點陣多孔材料力學性能Table 2 Mechanical properties of different nylon lattice structures

從表2可知，尼龍點陣多孔材料的力學性能受胞元結構影響較大。小斜方截半立方體具有最優的力學性能，其壓縮強度、彈性模量和單位體積能量吸收均比其余2種胞元結構高。正立方體胞元結構的壓縮強度、彈性模量分別比大斜方截半立方體胞元結構高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種結構，該結構以三角形和正方形2種幾何結構為主，這2種結構有較強的穩定性。

2.2 變形模式分析

不同胞元結構的尼龍點陣多孔材料準靜態壓縮變形過程由高清相機捕獲并記錄，如圖5所示。準靜態壓載下的點陣多孔材料應力-應變曲線與傳統的二維材料差異較大，如：蜂窩板等二維多孔材料的應力-應變曲線一般分為線彈性、屈服、平臺區和密實化4個階段。而點陣多孔材料的應力-應變曲線無明顯的4個階段，而是一條由多個波峰構成的曲線，且波峰值隨著應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，其承受載荷轉移到其它連桿上導致其它連桿壓斷，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紅色點畫線區域所示。由圖5(a)可知，正方體胞元結構的尼龍點陣多孔材料斷裂失效一般發生在豎直連桿處，主要是因其受豎直方向的壓應力壓潰失效所致；對比圖5(b)、(c)可發現，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一般發生在水平連桿附件，這是因為其主要受力為水平方向的剪切應力。

圖5 不同胞元結構的尼龍點陣多孔材料變形模式Fig.5 Deformation process of nylonlattice structures with different unit structures

2.3 SEM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)所示的應力-應變曲線中，3個試樣應變均超過0.4，也表現出韌性特征，與圖6(b)形貌分析結果一致。

圖6 不同胞元結構的試樣斷裂失效面SEM微觀形態Fig.6 SEM micromorphology of fracture failure surfaces with different unit structures

3 結 論

1)通過SLS工藝制備了試驗試樣，試驗研究發現胞元結構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構的尼龍點陣多孔材料具有較優的力學性能，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；正立方體胞元結構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構，但其單位體積能量吸收低于后者。

3)通過試驗研究和SEM觀察發現，尼龍點陣多孔材料易因原材料、加工工藝等因素的影響產生缺陷，引起坍塌失效；尼龍點陣多孔材料在準靜態壓縮試驗中，試驗數據和斷面表征均表現出該材料的韌性斷裂特征。

4)將幾何結構應用于胞元結構設計的方法經試驗驗證，表明該方法對豐富胞元結構構型、提高點陣多孔材料力學性能是可行有效的。