丁 莉, 滿孝穎, 解維華, 張宇民, 曹海琳, 梁小林

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種環(huán)境復(fù)合材料技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱150001;2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院先進(jìn)材料研究所,廣東深圳518057;3.上海衛(wèi)星工程研究所,上海201109)

點(diǎn)陣材料是一種具有有序微結(jié)構(gòu)的多孔材料,本質(zhì)是尺寸在毫米級或微米級的元胞結(jié)構(gòu)通過周期性排列而成的有序結(jié)構(gòu),是新一代輕質(zhì)多功能材料.根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式的不同,點(diǎn)陣材料可以分為二維和三維兩種元胞結(jié)構(gòu).二維點(diǎn)陣材料以方形、菱形、六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)為代表[1-2].近幾年出現(xiàn)的三維空間點(diǎn)陣材料是通過模擬分子點(diǎn)陣構(gòu)型而設(shè)計(jì)的多孔有序微結(jié)構(gòu)材料[3].由于點(diǎn)陣材料微小結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,一般需要通過增材制造技術(shù)及相應(yīng)的后處理技術(shù)進(jìn)行制備[4-7].這種有序結(jié)構(gòu)的多孔材料與類似工程結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于,點(diǎn)陣材料的單個(gè)空隙尺寸遠(yuǎn)小于工程結(jié)構(gòu)的相應(yīng)尺寸,既可以作為“結(jié)構(gòu)”,用經(jīng)典的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法,如同分析宏觀梁結(jié)構(gòu)一樣對其進(jìn)行分析;又可以將這種小尺度結(jié)構(gòu)看作具有一系列實(shí)實(shí)在在特性的“材料”,與通常的密實(shí)材料一樣,采用經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論將其作為材料來分析力學(xué)性能[8-9].Schaedler等[10]結(jié)合自擴(kuò)散光敏樹脂波導(dǎo)(self-propagating photopolymer waveguide,SPPW)技術(shù)及化學(xué)鍍技術(shù)設(shè)計(jì)并制備了一種三維鎳點(diǎn)陣材料,試驗(yàn)證明了該類材料的比模量高于碳納米管多孔材料.Zheng等[11-12]設(shè)計(jì)并制備出了多尺度金屬微點(diǎn)陣材料,采用試驗(yàn)和數(shù)值仿真計(jì)算獲得了材料的拉伸與壓縮力學(xué)性能.Wallach等[13]對點(diǎn)陣材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拉壓、剪切試驗(yàn),并對其失效機(jī)理進(jìn)行了分析研究,發(fā)現(xiàn)點(diǎn)陣材料的拉伸、壓縮強(qiáng)度及剪切模量要優(yōu)于金屬泡沫材料.新型點(diǎn)陣材料正受到極大的關(guān)注,區(qū)別于泡沫鋁等無序多孔材料,點(diǎn)陣材料的有序幾何結(jié)構(gòu)具有可設(shè)計(jì)性,不但可以具有較高的比力學(xué)性能,而且還可以結(jié)合其他性能材料成為多功能復(fù)合材料[14-17].

目前,三維點(diǎn)陣材料的拓?fù)錁?gòu)型主要有Kagom′e結(jié)構(gòu)、面心立方體結(jié)構(gòu)、四面體結(jié)構(gòu)、四棱錐結(jié)構(gòu)等,這些構(gòu)型的元胞多由實(shí)心桿件構(gòu)成[18-21],元胞為空心桿雙錐構(gòu)型的點(diǎn)陣材料性能的相關(guān)研究相對而言非常.雖然Zheng等[11]對空心桿點(diǎn)陣材料的壓縮性能進(jìn)行了研究,但其元胞為面心立方體結(jié)構(gòu),且空心桿壁厚為40～210 nm.本工作研究了2種空心桿雙錐構(gòu)型點(diǎn)陣材料的壓縮性能,空心桿壁厚最小為200μm,材料孔隙率均大于60%.獲得了2種點(diǎn)陣材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變函數(shù)關(guān)系式及曲線,探索了應(yīng)變率和元胞尺寸對點(diǎn)陣材料壓縮性能的影響.另外,還將點(diǎn)陣材料的壓縮性能與同樣工藝制備出的均質(zhì)材料的壓縮性能進(jìn)行了對比.

1 壓縮特性研究方案

本工作研究的試件均由光敏樹脂材料構(gòu)成,采用3D Systems公司的ProJet MJP 3D多噴頭光固化樹脂打印機(jī)進(jìn)行制備.圖1給出了多噴頭打印(multi-jet printing,MJP)增材制造的制備過程:首先,打印機(jī)噴頭噴射成型材料與支撐材料;然后滾軸將半固態(tài)的材料壓平;最終通過紫外光(ultraviolet,UV)固化材料,之后噴頭上升,重復(fù)以上步驟,實(shí)現(xiàn)試件的逐層打印.

制備的試件包含點(diǎn)陣材料試件與均質(zhì)材料試件.點(diǎn)陣材料試件的元胞單元均為雙錐構(gòu)型空心桿件結(jié)構(gòu)(見圖2),其中L為桿件長度,a為桿件截面外徑,b為桿件截面內(nèi)徑,θ為夾角.表1給出了試件的具體參數(shù).圖3給出了試件的實(shí)物圖,圖中從左到右分別為Ⅰ型點(diǎn)陣材料、Ⅱ型點(diǎn)陣材料及均質(zhì)材料.采用CMT7504微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn),獲得載荷-位移曲線,試驗(yàn)方案如表2所示.將施加于試件上的載荷與宏觀截面面積A0之比定義為等效應(yīng)力,記為σ.試件的原始長度為L0,將壓縮時(shí)長度方向上的形變?L與L0之比定義為等效應(yīng)變,記為ε,獲得應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線.

圖1 MJP增材制造原理Fig.1 MJP additive manufacturing theory

圖2 空心桿雙錐構(gòu)型元胞單元Fig.2 Unit cell of hollow tubes of dual-pyramid

表1 點(diǎn)陣材料與均質(zhì)材料試件幾何參數(shù)Table 1 Geometry parameters of specimens of lattice and normal materials

圖3 點(diǎn)陣材料與均質(zhì)材料試件照片F(xiàn)ig.3 Photos of the specimens of lattice and normal materials

表2 點(diǎn)陣材料與均質(zhì)材料應(yīng)變率研究方案Table 2 Research procedure of strain rate for lattice and normal materials

2 點(diǎn)陣材料與相同組分均質(zhì)材料的壓縮特性

試件壓縮后的形貌如圖4和5所示.在試驗(yàn)設(shè)備與環(huán)境條件相同的情況下,Ⅰ型點(diǎn)陣試件破壞后的主體為單錐型,Ⅱ型點(diǎn)陣試件破壞后為截錐型,而均質(zhì)試件則是沿縱向開裂.由圖6可見,Ⅱ型點(diǎn)陣試件壓縮破壞由中間層單元與上、下兩層單元之間發(fā)展到截錐型,引起材料局部壓實(shí),繼續(xù)施壓后,試件進(jìn)一步破碎.因此,元胞尺寸的改變會(huì)引起點(diǎn)陣材料裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生變化,改變材料失效模式.

圖4點(diǎn)陣材料與均質(zhì)材料試件壓縮后的照片F(xiàn)ig.4 Photos of the specimens of lattice and normal materials after compression

圖7～10給出了試驗(yàn)測得的σ-ε曲線.為了方便比較,將應(yīng)變率相同、尺寸不同的Ⅰ型和Ⅱ型點(diǎn)陣材料(試驗(yàn)1和2)的σ-ε曲線繪制到圖7;將不同應(yīng)變率下的Ⅱ型點(diǎn)陣材料(試驗(yàn)2,3,4)的σ-ε曲線繪制到圖8;試驗(yàn)5的完整曲線由圖9給出;將相同應(yīng)變率的點(diǎn)陣材料和均質(zhì)材料(試驗(yàn)4和5)的σ-ε曲線部分放大繪制到圖10.定義點(diǎn)陣材料σ-ε曲線中應(yīng)力σ出現(xiàn)極大值的位置為屈服點(diǎn),對應(yīng)的橫坐標(biāo)為屈服應(yīng)變,縱坐標(biāo)為屈服強(qiáng)度.定義比強(qiáng)度為屈服強(qiáng)度除以材料實(shí)際質(zhì)量和體積的乘積[12],統(tǒng)計(jì)后的數(shù)據(jù)如表3所示.由圖7～10可見,點(diǎn)陣材料及均質(zhì)材料的σ-ε曲線均為非線性曲線.

圖5 點(diǎn)陣材料試件壓縮后的裂紋擴(kuò)展方向Fig.5 Crack expansion directions of the failure specimens of lattice materials after compression

圖6 Ⅱ型點(diǎn)陣材料試件壓縮破壞過程Fig.6 Compression and destruction process of theⅡ-shaped lattice material test specimens

圖 7 試驗(yàn)1和2的σ-ε曲線對比Fig.7 Comparison of σ-ε curves of test 1 and test 2

圖8 Ⅱ型點(diǎn)陣材料σ-ε曲線Fig.8 σ-ε curves ofⅡ-shaped lattice material

圖 9 試驗(yàn)5的σ-ε曲線Fig.9 σ-ε curve of test 5

圖 10 試驗(yàn)4和5的σ-ε曲線對比Fig.10 Comparison of σ-ε curves of test 4 and test 5

表3 點(diǎn)陣材料與均質(zhì)材料試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of lattice and normal materials

對比試驗(yàn)1和2的結(jié)果(見表3和圖7)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)雙錐構(gòu)型點(diǎn)陣材料的壓縮應(yīng)變率相同時(shí),元胞單元尺寸縮小一半,材料的割線模量減小,但屈服強(qiáng)度由2.35 MPa增大到4.91 MPa,增加1倍,比強(qiáng)度相差近110倍.這一結(jié)果預(yù)示著當(dāng)材料內(nèi)部孔隙尺寸相對元胞尺寸增大到一定范圍后,較大孔隙的存在會(huì)引起材料表現(xiàn)出具有缺陷的材料力學(xué)性能,相當(dāng)于在材料內(nèi)部引入了預(yù)制的裂紋,進(jìn)而引起強(qiáng)度及比強(qiáng)度的明顯降低;而在材料孔隙率相當(dāng)?shù)那闆r下,孔隙體積的增大必定引起元胞包絡(luò)體體積的增大,從而引起比強(qiáng)度分母的增大,因此比強(qiáng)度的下降尤為明顯.另外,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.24后,Ⅱ型點(diǎn)陣試件的σ-ε曲線出現(xiàn)二次爬升,這是由于材料的壓實(shí)導(dǎo)致材料再次具備一定的承載能力,而這種現(xiàn)象在Ⅰ型點(diǎn)陣試件的σ-ε曲線中并沒有體現(xiàn).

對比試驗(yàn)2,3和4的結(jié)果(見表3和圖8)可以發(fā)現(xiàn):隨著應(yīng)變率的增加,雙錐構(gòu)型點(diǎn)陣材料的屈服強(qiáng)度與割線模量增大,屈服應(yīng)變相差不大,均發(fā)生在0.10～0.11附近,比強(qiáng)度在32～42 MPa·g?1·cm?3范圍內(nèi).

對比試驗(yàn)4和5的結(jié)果(見表3和圖10)可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)制備工藝、加載應(yīng)變率、外包絡(luò)體相同時(shí),均質(zhì)材料的質(zhì)量約為點(diǎn)陣材料的300%;屈服應(yīng)變約為點(diǎn)陣材料屈服應(yīng)變的50%;屈服強(qiáng)度為37.03 MPa,是點(diǎn)陣材料屈服強(qiáng)度的10倍左右;二者的比強(qiáng)度相差22%.這意味著當(dāng)點(diǎn)陣材料組分是樹脂時(shí),在應(yīng)力達(dá)到破壞前,質(zhì)量減少約60%的點(diǎn)陣材料比均質(zhì)材料能承受的壓縮變形更大.

對試驗(yàn)所得的σ-ε數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到試件屈服破壞前的應(yīng)力-應(yīng)變函數(shù)關(guān)系式如表4所示,擬合R2的值均接近1.圖11～15給出由本工作所得擬合函數(shù)對應(yīng)的σ-ε曲線與試驗(yàn)結(jié)果曲線的對比.由圖可見,本工作所得函數(shù)擬合曲線與試驗(yàn)所得曲線吻合較好,可用于估算材料破壞前的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系.

表4 點(diǎn)陣材料和均質(zhì)材料應(yīng)力-應(yīng)變擬合函數(shù)Table 4 Fitting equations of stress-strain of lattice and normal materials

圖 11 試驗(yàn)1擬合與試驗(yàn)σ-ε曲線對比Fig.11 Comparison of σ-ε curves of test 1 and fitting equation

圖 12 試驗(yàn)2擬合與試驗(yàn)σ-ε曲線對比Fig.12 Comparison of σ-ε curves of test 2 and fitting equation

圖 13 試驗(yàn)3擬合與試驗(yàn)σ-ε曲線對比Fig.13 Comparison of σ-ε curves of test 3 and fitting equation

圖 14 試驗(yàn)4擬合與試驗(yàn)σ-ε曲線對比Fig.14 Comparison of σ-ε curves of test 4 and fitting equation

3 結(jié)論

本工作以光固化樹脂制備的雙錐構(gòu)型點(diǎn)陣材料為研究對象,得到了2種元胞尺寸點(diǎn)陣材料的壓縮性能,并將其與均質(zhì)材料的壓縮性能進(jìn)行了對比,通過對結(jié)果的分析,所得主要結(jié)論如下.

圖 15 試驗(yàn)5擬合與試驗(yàn)σ-ε曲線對比Fig.15 Comparison of σ-ε curves of test 5 and fitting equation

(1)在毫米級尺度下,雙錐構(gòu)型點(diǎn)陣材料的元胞尺寸對其壓縮性能影響顯著;尺寸的變化會(huì)引起材料裂紋擴(kuò)展方向、屈服應(yīng)變、屈服強(qiáng)度等性能的改變.

(2)在元胞尺寸一定的情況下,提高壓縮加載的應(yīng)變率會(huì)引起雙錐構(gòu)型點(diǎn)陣材料屈服強(qiáng)度的增大,但屈服應(yīng)變變化較小.

(3)本工作制備的點(diǎn)陣材料的屈服應(yīng)變相對固體均質(zhì)材料可提高1倍,比強(qiáng)度與均質(zhì)材料基本相當(dāng),但絕對屈服強(qiáng)度沒有優(yōu)勢.這意味著當(dāng)點(diǎn)陣材料組分是樹脂時(shí),點(diǎn)陣材料在破壞前比均質(zhì)材料承受壓縮變形能力更強(qiáng),且減重效果明顯.一旦應(yīng)力超過材料強(qiáng)度,則點(diǎn)陣材料不具備優(yōu)勢.

(4)本工作所得擬合函數(shù)可用于估算點(diǎn)陣材料在壓縮破壞前的應(yīng)力.