大连理工3D打印各向同性复合晶格超材料，达到理论刚度上限

在材料科学中，轻质高刚性材料因其在航空航天、汽车制造、生物医学植入物等领域的关键作用而备受关注。传统的结构材料优化方法主要依赖于成分调整和微观结构控制，但这些方法的性能提升逐渐遇到瓶颈。因此，研究者开始探索通过设计具有不同空隙率的多孔固体材料来实现轻质高刚性的目标。

3D打印技术参考注意到，来自大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室与南洋理工大学机械航空工程学院的研究人员于近日首次系统研究了由不同晶胞设计组成的复合晶格，分析了其模量和各向异性，并使用3D打印样品进行了实验验证。

复合点阵结构的基本概念、实验与仿真

复合点阵结构是一类由两种或多种不同几何形状的单元胞体在点阵中占据不同位置而构成的复合结构。这种结构的设计思想是通过调整单元胞体的形状、尺寸、排列方式以及体积比，来调控材料的整体性能，如弹性模量、剪切模量、泊松比等。与单一胞体点阵结构相比，复合点阵结构具有更高的设计灵活性和性能可调性。

本研究使用惠普MJF工艺和PA12材料3D打印技术制备了不同拓扑结构（简单立方SC、体心立方BCC和面心立方FCC）和体积比（f_p，即板状单元胞体在复合点阵中的比例）的复合点阵结构试样，并进行了单轴循环压缩实验。

为了验证实验结果的准确性并深入探索复合点阵结构的力学性能，本研究还采用了有限元仿真方法。在仿真软件中建立了复合点阵结构的有限元模型，并赋予材料以线弹性材料属性（杨氏模量E_s=1.07 GPa，泊松比ν=0.3）。通过仿真计算，获得了不同拓扑结构和体积比下的复合点阵结构的应力-应变曲线和弹性模量等力学性能参数。

梁-板复合晶格：简单立方体b、体心立方体c和面心立方体设计的梁单元晶格（橙色）和板单元晶格（蓝色）的示意图。几何形状由单元晶格的长度l、梁的厚度tb和板的厚度tp决定。d 3×3×3复合晶格的不同设计。fp指的是基于板的单元晶格（蓝色）的比例。在单轴加载模拟下，整体应变为0.001时，获得的简单立方体e、体心立方体f和面心立方体g复合晶格的典型应力分布

复合晶格在[100]和[110]方向上的压缩下的示意图和3D打印样品

弹性模量与体积比的关系

研究发现，复合点阵结构的弹性模量与其体积比f_p密切相关。在固定相对密度ρ_r下，随着f_p的增加，复合点阵结构的弹性模量呈现先增加后减少的趋势。这一趋势反映了不同几何形状单元胞体在复合结构中的协同效应和竞争效应。具体来说，当f_p较小时，板状单元胞体对整体性能的贡献较小，复合点阵结构主要表现为梁状单元胞体的性能；随着f_p的增加，板状单元胞体的作用逐渐增强，复合点阵结构的弹性模量也随之增加；然而，当f_p过大时，过多的板状单元胞体会导致材料在受力时更易发生局部破坏，从而降低整体性能。

复合晶格比模量的数值模拟与实验测试

拓扑结构对性能的影响

除了体积比外，拓扑结构也是影响复合点阵结构力学性能的重要因素。本研究比较了SC、BCC和FCC三种不同拓扑结构的复合点阵结构在相同体积比下的力学性能。结果显示，FCC结构的复合点阵结构具有更高的弹性模量和更好的各向同性。这主要归因于FCC结构在三维空间中具有更高的对称性和更均匀的力传递路径。相比之下，SC结构的复合点阵结构在性能上表现较差，尤其是在各向同性方面存在明显不足。

立方对称格的比模量和各向异性

所设计晶格结构各向同性实验验证

总的来说，研究人员研究了由两种不同单胞设计构成的3×3×3复合点阵结构。这种复合点阵结构可以展现出多达4种不同的几何形态，其中2种来自单胞结构本身，而另外2种则是通过单胞排列形成的层次化超结构。在刚度优化方面，材料倾向于自我组织，以强调具有最高比模量的几何形态。在适当的相对密度和单胞排列下，层次化复合点阵可以简化为单层几何形态，从而导致比模量的急剧上升。通过使用基于等应变和等应力考虑因素的简单分析模型，可以可靠地预测复合点阵的比模量，包括比模量峰值的位置。

为了实现复合点阵的同向性，单胞必须以这样的方式排列，使得单胞的各向异性与超结构的各向异性相互补充。然而，这样的排列往往会软化整体结构。为了同时实现高比模量和同向性，研究人员引入了复合嵌套pSC-pFCC和pSC-pBCC点阵。结果表明，它们具有比广为人知的混合板SC-BCC和板SC-FCC点阵更高的比模量。通过增加FCC或BCC板状单胞与SC单胞的比例，可以进一步提高这些刚度值，使得1pSC:512pFCC复合嵌套点阵的比模量仅比理论最大值低2.1%，这是当前文献中报道的最高值。

论文：Compound nested lattices with programmable isotropy and elastic stiffness up to the theoretical limit.

文章链接： https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111656

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