胞元结构对点阵多孔材料力学性能的影响

文 周，李 明

(1.西安科技大学 机械工程学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 理学院，陕西 西安 710054)

0 引 言

点阵多孔结构是一种由点和边为单元按一定的空间顺序排列而成的结构。具有该结构的材料因其质轻、吸能效率高等优点而广泛应用于汽车、医疗和航空航天等领域[1-4]。受制于传统加工工艺的局限性，点阵多孔材料多为正立方体、蜂窝状结构；随着增材制造(additive manufacturing,AM)技术的不断发展，为设计并制造复杂的点阵多孔材料提供了可能[5-8]。高分子点阵多孔材料多采用光固化成型(stereolithography apparatus,SLA)、熔融沉积快速成型(fused deposition modeling,FDM)和选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)等技术进行加工[9-10]。采用FDM技术制造复杂点阵多孔材料需要设计支撑结构，而去除支撑结构较为复杂；SLA技术使用的原材料来源较为单一，只能使用光敏性材料； SLS技术克服了前面两种技术的缺点，可用于制造复杂结构的高分子点阵材料[11-14]。

近年来已有许多学者对点阵多孔材料进行了研究，但主要集中在金属点阵多孔材料的研究。如：PLOCHER等通过实验和有限元法研究了BCC、SP和GY胞元构成的点阵均质及功能梯度材料的刚度、吸能效率等性能[15]；CAO等研究了SLM制备的菱形十二面体其形状参数对点阵多孔材料力学及能量吸收性能的影响[16]。尼龙材料因其较优的耐磨性、耐腐蚀性和力学性能被广泛应用于服饰、工程和医疗等领域。目前国内外对尼龙点阵多孔材料力学性能的研究报道较少，彭刚等通过实验法对随机多孔尼龙材料的弯曲强度进行了研究[17]；JIN等通过优化胞元尺寸参数提高了BCC尼龙点阵多孔材料力学性能[18]；NEFF等通过实验和有限元仿真研究了钻石胞元尼龙点阵多孔材料的刚度及能量吸收性能[19]；PORTER等通过实验和有限元仿真研究了胞元尺寸参数对BCC和VTM胞元结构的尼龙点阵多孔材料静力学性能的影响[20]。

国内外学者多关注于单一胞元结构的尼龙点阵多孔材料力学性能研究，而对于截半立方体等复杂胞元结构的尼龙点阵多孔材料的对比研究未见报道。本研究以正立方体、小斜方截半立方体、大斜方截半立方体为晶胞单元，设计点阵多孔结构；以尼龙12为母料，通过SLS工艺制备三种不同胞元结构的尼龙点阵多孔材料，对比研究胞元结构对尼龙点阵多孔材料力学性能的影响。本研究对拓展点阵多孔结构的晶胞单元类型和加强尼龙材料的实际应用均有着积极的意义。

1 试验部分

1.1 主要原材料

PA12粉末：德固赛2 161，平均粒径200目(75 μm)，德国赢创工业集团。

1.2 主要设备及仪器

SLS打印设备：EOS P1103D打印机，德国EOS公司；电子万能材料试验机：LE 3504，力试(上海)公司；扫描电子显微镜(SEM)：Phenom pro，荷兰Phenom(飞纳)科学仪器公司。

1.3 点阵结构设计

笔者选取正立方体、小斜方截半立方体和大斜方截半立方体3种晶胞单元结构，设定晶胞单元的驱动尺寸分别为：边长L1=15.31 mm、直径D1=1.6 mm；正四边形边长L2=6.34 mm、直径D2=1.82 mm；正八边形边长L3=4 mm、直径D3=2 mm。通过调整小斜方截半立方体的正四边形边长L2和大斜方截半立方体的正八边形边长L3，保证3种晶胞单元结构顶面到底面的距离均为15.31 mm；通过调整D1，D2，D3的值来保证3种晶胞单元结构的相对密度一致。3种晶胞单元结构如图1所示。

图1 3种晶胞单元结构Fig.1 Three unit structures

晶胞单元沿X，Y，Z3个方向进行阵列，阵列个数分别为4，4，4，得到点阵多孔结构。以大斜方截半立方体点阵结构为例，其设计思路如图2所示。

图2 大斜方截半立方体点阵结构设计思路Fig.2 Designing method of great rhombcuboctahedron lattice structure

1.4 试样制备

试验试样以PA12粉末为原料，采用EOS P110 3D打印机进行制备，工艺参数的设置见表1。

表1 SLS加工工艺参数设置Table 1 Setting of SLS processing parameters

1.5 压缩试验

将制备好的正立方体、小斜方截半立方体和大斜方截半立方体点阵多孔材料试样按照胞元结构类型分成3组，每组3个试样。每组试样均用0.02 mm/s的速率进行压缩，压缩试验按照标准ASTM D695-02a进行。试验装置如图3所示。

图3 压缩试验装置Fig.3 Experimental setup used for compression tests

2 结果与讨论

2.1 压缩试验结果分析

按照试验号依次进行3组试验，每组试样均用0.02 mm/s的速率进行压缩。传感器测量得到位移和力的数据，将试验数据由电脑导出，经处理得到应力应变数据。将应力应变数据导入Origin 9.1中，可绘得3组试验的应力应变曲线，如图4所示。点阵多孔材料的相对密度、压缩模量和单位体积能量吸收可根据式(1)～(3)进行计算[21]。

图4 不同胞元结构的点阵多孔材料应力-应变曲线Fig.4 Compressive stress-strain curves of differnt lattice structures

(1)

(2)

(3)

式中E为压缩模量，MPa；δy为应变在0.02处所对应的应力，MPa；WV为点阵多孔材料单位体积能量吸收，J/cm3；ε为应变；δ(ε)为应力，MPa；p*为相对密度；p为点阵多孔材料密度，g/cm3；ps为构成多孔材料的基材密度，g/cm3。

提取电脑存储的力和位移数据，经过转换计算得到应力应变数据，根据公式(1)可计算得到弹性模量，压缩强度为应力-应变曲线中的最大应力值。WV为试样应变在0～0.4区间内的应力与X轴所夹面积，可由Origin软件分析计算得到。经过计算得到的不同胞元结构的尼龙点阵多孔材料力学性能见表2。

表2 不同胞元结构尼龙点阵多孔材料力学性能Table 2 Mechanical properties of different nylon lattice structures

从表2可知，尼龙点阵多孔材料的力学性能受胞元结构影响较大。小斜方截半立方体具有最优的力学性能，其压缩强度、弹性模量和单位体积能量吸收均比其余2种胞元结构高。正立方体胞元结构的压缩强度、弹性模量分别比大斜方截半立方体胞元结构高6.5%、94.8%；但其单位体积能量吸收比后者低53.9%。小斜方截半立方体具有较高的压缩强度和弹性模量，是因为其杆长比正立方体要短，且相对另外2种结构，该结构以三角形和正方形2种几何结构为主，这2种结构有较强的稳定性。

2.2 变形模式分析

不同胞元结构的尼龙点阵多孔材料准静态压缩变形过程由高清相机捕获并记录，如图5所示。准静态压载下的点阵多孔材料应力-应变曲线与传统的二维材料差异较大，如：蜂窝板等二维多孔材料的应力-应变曲线一般分为线弹性、屈服、平台区和密实化4个阶段。而点阵多孔材料的应力-应变曲线无明显的4个阶段，而是一条由多个波峰构成的曲线，且波峰值随着应变的增大而依次递减。随着位移载荷的不断增加，试样受压其变形逐渐增大，当压载超过连杆的承压极限后，连杆被压断，其承受载荷转移到其它连杆上导致其它连杆压断，而引起点阵多孔材料整层压溃。尼龙点阵多孔材料由下往上逐层压溃，如图5红色点画线区域所示。由图5(a)可知，正方体胞元结构的尼龙点阵多孔材料断裂失效一般发生在竖直连杆处，主要是因其受竖直方向的压应力压溃失效所致；对比图5(b)、(c)可发现，小斜方截半立方体和大斜方截半立方体尼龙点阵多孔材料断裂失效一般发生在水平连杆附件，这是因为其主要受力为水平方向的剪切应力。

图5 不同胞元结构的尼龙点阵多孔材料变形模式Fig.5 Deformation process of nylonlattice structures with different unit structures

2.3 SEM分析

文章通过对压溃失效的试样断口进行微观特征形貌观察与分析，探究其失效机理。由图4可知，不同的试样其压缩强度、弹性模量等力学性能差异较大。这是由于试样受原材料、加工工艺等因素的影响而产生一些制造缺陷影响其力学性能，如图6(a)中存在的碎片及未完全烧结的母料颗粒、图6(c)中存在的裂纹与小孔。这些制造缺陷都可能引起尼龙点阵多孔材料力学性能降低，进而引起初始压溃失效。由图6(b)可知，小斜方截半立方体尼龙点阵多孔材料断裂面粗糙、且有细长的拉丝状毛边，符合点阵多孔材料韧性断裂的表征特点。而在图4(b)所示的应力-应变曲线中，3个试样应变均超过0.4，也表现出韧性特征，与图6(b)形貌分析结果一致。

图6 不同胞元结构的试样断裂失效面SEM微观形态Fig.6 SEM micromorphology of fracture failure surfaces with different unit structures

3 结 论

1)通过SLS工艺制备了试验试样，试验研究发现胞元结构对尼龙点阵多孔材料的弹性模量、压缩强度和单位体积能量吸收等力学性能指标均有较大影响。

2)小斜方截半立方体胞元结构的尼龙点阵多孔材料具有较优的力学性能，其弹性模量、压缩强度和单位体积能量吸收在三者中均为最大；正立方体胞元结构的尼龙点阵多孔材料的弹性模量和压缩强度均高于大斜方截半立方体胞元结构，但其单位体积能量吸收低于后者。

3)通过试验研究和SEM观察发现，尼龙点阵多孔材料易因原材料、加工工艺等因素的影响产生缺陷，引起坍塌失效；尼龙点阵多孔材料在准静态压缩试验中，试验数据和断面表征均表现出该材料的韧性断裂特征。

4)将几何结构应用于胞元结构设计的方法经试验验证，表明该方法对丰富胞元结构构型、提高点阵多孔材料力学性能是可行有效的。