凌基鑫，溫金鵬，唐昶宇，孫傳東

(1.中國工程物理研究院總體工程研究所， 四川 綿陽 621900；2.中國工程物理研究院成都科學(xué)與技術(shù)發(fā)展中心， 成都 610200；3.四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院，高分子材料工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610065)

1 引言

硅橡膠多孔材料(簡稱硅泡沫)不僅具有多孔可壓縮性[1]，還具有硅橡膠耐輻照老化和工作溫度范圍寬的特點(diǎn)[2]，常被應(yīng)用于高性能功能部件的密封、預(yù)緊定位及緩沖保護(hù)。

傳統(tǒng)的硅泡沫制備方法主要分為化學(xué)發(fā)泡法和物理發(fā)泡法。化學(xué)方法通過在硅橡膠膠料中加入碳酸氫鈉，硫酸銨，偶氮二甲酰胺等發(fā)泡劑，在高溫硫化過程中，發(fā)泡劑分解產(chǎn)生氣體使物料發(fā)泡，或者通過配方中組分間的化學(xué)反應(yīng)釋放出氣體分子發(fā)泡。物理方法則通過惰性氣體的膨脹、低沸點(diǎn)液體的汽化或者顆粒的填充溶析來實(shí)現(xiàn)發(fā)泡[3-4]。但是這些傳統(tǒng)發(fā)泡方法制備的硅泡沫材料存在泡孔結(jié)構(gòu)難以調(diào)控的問題，導(dǎo)致多孔結(jié)構(gòu)在大小、形狀和連通性存在高度的非均勻性，其壓縮應(yīng)力平臺(tái)窄或無應(yīng)力平臺(tái)。對(duì)此造成宏觀壓縮力學(xué)性能的隨機(jī)性，給泡沫材料力學(xué)行為的設(shè)計(jì)與提升帶來很大困擾。因此，如何有效地調(diào)控硅泡沫材料的壓縮力學(xué)行為，使其在工作壓縮應(yīng)變范圍內(nèi)壓縮應(yīng)力保持在一定水平且變化更為平緩一直是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

硅泡沫的孔隙結(jié)構(gòu)與分布情況對(duì)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響早有研究。例如胡文軍[5]發(fā)現(xiàn)對(duì)于溶析成孔制備的硅泡沫材料，隨著孔隙度的提高，材料變軟且應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化更為平緩；沙艷松[6]使用不同形貌的成孔劑，制備出不同結(jié)構(gòu)的硅泡沫材料，發(fā)現(xiàn)在相同孔隙度下硅泡沫力學(xué)性能主要受泡孔結(jié)構(gòu)的影響；范志庚[7]通過建立不同規(guī)則度的二維泡孔模型進(jìn)行有限元仿真發(fā)現(xiàn)，規(guī)則有序的泡孔比隨機(jī)分布的泡孔具有更長的壓縮應(yīng)力平臺(tái)段。研究表明規(guī)則有序、泡孔結(jié)構(gòu)可控的硅泡沫材料可以實(shí)現(xiàn)具有更長更平緩的壓縮應(yīng)力平臺(tái)。

近年來，3D打印技術(shù)得到快速發(fā)展，國內(nèi)外先后利用直寫式3D技術(shù)成功制出具有高度有序的、開孔結(jié)構(gòu)的硅橡膠泡沫材料[8-9]。美國利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室(LLNL)首次報(bào)道了堆垛結(jié)構(gòu)彈性體的直寫式3D打印成型，Duoss等[8]以液體硅橡膠作為打印漿料，基于直寫式3D 打印平臺(tái)，制備出了2種規(guī)則的硅橡膠基堆垛結(jié)構(gòu)材料，這種采用橡膠墨水?dāng)D出成絲逐層堆積網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的方法，可以更精確的控制泡孔結(jié)構(gòu)。本文基于研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的直寫式3D打印平臺(tái)，采用具有良好流變性能的改性硅橡膠墨水，打印出簡單立方體結(jié)構(gòu)(simple cubic structure，SC)和面心立方體結(jié)構(gòu)(face centered tetragonal structure,FCT)的硅泡沫，并通過壓縮實(shí)驗(yàn)研究分析打印參數(shù)對(duì)壓縮力學(xué)性能的影響。

2 3D打印硅橡膠泡沫材料制備及分析

2.1 試件制備

針對(duì)硅泡沫試樣的3D打印工作，研究團(tuán)隊(duì)自主搭建了室溫環(huán)境下適用于硅橡膠打印漿料的線性直寫式3D打印運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，平臺(tái)主要由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，三維平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以及漿料輸送系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。其工作原理是通過氣壓將打印漿料輸送到螺桿閥，旋轉(zhuǎn)的螺桿剪切硅橡膠基料并輸送到針頭出絲，針頭和運(yùn)動(dòng)裝置綁定，在x-y平面內(nèi)按照程序設(shè)定的路徑移動(dòng)，待到一層的打印成型后，在這層的基礎(chǔ)上通過運(yùn)動(dòng)裝置z軸上升設(shè)定高度，再次進(jìn)行x-y平面的程序運(yùn)動(dòng)，之后繼續(xù)按照程序設(shè)定的路徑運(yùn)動(dòng)直至全部結(jié)構(gòu)打印成型，如圖2所示，在打印板上會(huì)提前鋪上一層硅烷偶聯(lián)劑，防止打印成品與底板粘連。

圖1 自主搭建的直寫式3D打印平臺(tái)圖

圖2 直寫式3D打印原理示意圖

通過輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制平臺(tái)打印針孔直徑、打印速度參數(shù)進(jìn)而調(diào)整3D打印硅橡膠泡沫的膠絲直徑、膠絲間距和層高，設(shè)計(jì)并制備出了孔隙率、泡孔結(jié)構(gòu)有序的硅橡膠泡沫材料，從而為實(shí)現(xiàn)3D打印硅橡膠泡沫材料的可設(shè)計(jì)、可預(yù)測(cè)提供支撐。為便于分析對(duì)比，本文主要對(duì)簡單立方結(jié)構(gòu)排布(SC型結(jié)構(gòu))圖3(a)和面心立方結(jié)構(gòu)排布(FCT型結(jié)構(gòu))圖3(b)的樣品進(jìn)行對(duì)比分析；其中打印樣品長寬為20 mm×20 mm，SC型結(jié)構(gòu)樣品展示如圖3(c)所示，F(xiàn)CT型結(jié)構(gòu)樣品展示如圖3(d)所示。

圖3 直寫式3D打印硅泡沫結(jié)構(gòu)示意圖以及打印樣品圖

2.2 成孔形貌的比較

采用傳統(tǒng)化學(xué)發(fā)泡法制備的硅泡沫電鏡圖如圖4(a)所示，可見其泡孔孔徑尺寸分布不均，開孔閉孔結(jié)構(gòu)并存且形狀差異較大，微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較高的隨機(jī)特性；而直寫式3D打印泡沫呈現(xiàn)出規(guī)則有序的開孔結(jié)構(gòu)(圖4(b))，結(jié)構(gòu)均勻有序，胞元之間一致性較好，制備可重復(fù)性好。因此直寫式3D打印在制備規(guī)則有序、孔隙度與泡孔結(jié)構(gòu)可控的硅泡沫材料方面具有巨大的潛力。

圖4 傳統(tǒng)方法與直寫式3D打印制備的硅泡沫電鏡圖

2.3 性能測(cè)試

采用靜力試驗(yàn)機(jī)按照國標(biāo)GB/T 18942.2—2003開展硅橡膠泡沫材料的壓縮力學(xué)性能測(cè)試。根據(jù)工程需求選取曲線上的兩點(diǎn)計(jì)算應(yīng)力差值或者應(yīng)變差值，進(jìn)而評(píng)估該材料的壓縮性能。本文設(shè)定0.2≤ε≤0.5為工作平臺(tái)應(yīng)變區(qū)間段，工作平臺(tái)應(yīng)變區(qū)間段對(duì)應(yīng)的應(yīng)力差Δσ=σ0.5-σ0.2，其中σ0.5為應(yīng)變0.5下的應(yīng)力值，σ0.2為應(yīng)變0.2下的應(yīng)力值，應(yīng)力中值σmid為σ0.5與σ0.2的平均值；在應(yīng)力中值相同條件下，應(yīng)力差值越小說明工作應(yīng)變區(qū)間內(nèi)應(yīng)力的增長越平緩，硅泡沫材料的壓縮力學(xué)性能越好。

3 打印結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)硅泡沫力學(xué)性能影響研究

直寫式3D打印硅泡沫材料的力學(xué)性能與其膠絲間距、膠絲直徑和層高等打印參數(shù)密切相關(guān)。為對(duì)比分析打印參數(shù)對(duì)硅泡沫力學(xué)性能的影響，對(duì)3D打印硅泡沫結(jié)構(gòu)進(jìn)行斷面特征分析，如圖5所示，并定義h為打印層高，l為膠絲間距，d為膠絲直徑。

圖5 2種結(jié)構(gòu)的斷面圖

為進(jìn)一步分析打印參數(shù)對(duì)硅泡沫力學(xué)性能的影響規(guī)律，與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，結(jié)合課題組前期研究結(jié)果根據(jù)文獻(xiàn)[10]經(jīng)驗(yàn)證過的有限元模型，建立如圖6(a)所示的SC型結(jié)構(gòu)有限元模型和圖6(b)所示的FCT型結(jié)構(gòu)有限元模型。

圖6 2種結(jié)構(gòu)的有限元模型示意圖

3.1 不同泡孔結(jié)構(gòu)對(duì)壓縮力學(xué)性能影響研究

圖7為相同打印參數(shù)的SC、FCT兩種結(jié)構(gòu)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，設(shè)置打印間距參數(shù)為0.6 mm，打印速度為7 mm/s，打印層高為2 mm，層數(shù)為12。對(duì)其應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比分析表明，其應(yīng)力應(yīng)變曲線均可分為3個(gè)區(qū)：線性區(qū)、平臺(tái)區(qū)、壓實(shí)區(qū)。其中SC型結(jié)構(gòu)線性區(qū)初始模量較FCT型結(jié)構(gòu)大，且其線性區(qū)與平臺(tái)區(qū)的區(qū)分更為明顯。

圖7 2種結(jié)構(gòu)壓縮力學(xué)性能曲線

在承受初始?jí)嚎s載荷時(shí)，SC型結(jié)構(gòu)每個(gè)單元產(chǎn)生并結(jié)合形成與加載方向?qū)R的垂直“應(yīng)力柱”，直接軸向穿過層間接觸區(qū)域，因此其單元可以簡化為軸向壓縮為主的Gent-Thomas模型[11]如圖8(a)，對(duì)應(yīng)的線性區(qū)彈性模量為

(1)

其中：Es是基體材料的彈性模量；C1是修正參數(shù)。

FCT型結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力連通性具有更復(fù)雜的傳遞路徑，具有高度彎曲的有序排列，在初始?jí)嚎s載荷作用下主要以膠絲的彎曲變形為主，單元可以類似簡化為彎曲變形為主的Gibson-Ashby模型[1]的類似結(jié)構(gòu)如圖8(b)，根據(jù)文獻(xiàn)[12]的推論可知，其線性區(qū)彈性模量見式(2)。其中C2是修正系數(shù)。

(2)

圖8 2種單胞結(jié)構(gòu)的簡化過程示意圖

在2種結(jié)構(gòu)的平臺(tái)區(qū)，計(jì)算應(yīng)力差值Δσ，SC型的應(yīng)力差值為0.064 MPa(0.065～0.129 MPa)，F(xiàn)CT型的應(yīng)力差值為0.118 MPa(0.041～0.159 MPa)。工作區(qū)間兩點(diǎn)的應(yīng)力差別表明在平臺(tái)區(qū)SC型結(jié)構(gòu)應(yīng)力增長更為平緩，與FCT在平臺(tái)區(qū)的變形機(jī)制有較大區(qū)別。這是由于SC型結(jié)構(gòu)在初始?jí)嚎s下形成的“應(yīng)力柱”雖然剛度較高，但是本身并不穩(wěn)定，容易發(fā)生失穩(wěn)屈曲，最終在圖中應(yīng)變段ε≥0.20觀察到屈曲行為，形成平臺(tái)區(qū)。相比之下，F(xiàn)CT型結(jié)構(gòu)在曲線中平臺(tái)區(qū)與線性區(qū)的區(qū)分并不明顯，每層懸空的膠絲段被壓縮至到下層的間隙空間中，由于交錯(cuò)結(jié)構(gòu)布置，在線性區(qū)和平臺(tái)區(qū)承受壓縮載荷時(shí)均以單元的彎曲變形為主，載荷路徑在每層的接觸點(diǎn)處重新分布，在平臺(tái)區(qū)其應(yīng)力逐步升高，最終在繼續(xù)壓縮的過程中(應(yīng)變段0.2≤ε≤0.5中)逐漸縮小與處于失穩(wěn)狀態(tài)的SC型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力差距。在ε≥0.5時(shí)無論SC型結(jié)構(gòu)還是FCT型結(jié)構(gòu)其單元內(nèi)部膠絲均開始密集接觸，2種結(jié)構(gòu)都進(jìn)入壓實(shí)區(qū)，其應(yīng)力應(yīng)變曲線急劇上升。

3.2 不同膠絲間距對(duì)壓縮力學(xué)性能影響

為對(duì)比分析膠絲間距對(duì)3D打印硅橡膠泡沫材料壓縮力學(xué)性能的影響，保持3.1節(jié)中其他打印參數(shù)不變，分別制備SC與FCT膠絲間距為0.6 mm、0.8 mm結(jié)構(gòu)的材料，測(cè)試其壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖9、圖10所示。

圖9 不同膠絲間距的SC型結(jié)構(gòu)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖10 不同膠絲間距的FCT型結(jié)構(gòu)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

結(jié)合式(1)、式(2)可知，無論是SC型結(jié)構(gòu)還是FCT型結(jié)構(gòu)其線性區(qū)初始模量E*均隨著膠絲間距l(xiāng)的增加而減小。這是由于對(duì)于SC型結(jié)構(gòu)，膠絲間距增大會(huì)減小單位體積內(nèi)承載結(jié)構(gòu)數(shù)量；而對(duì)于FCT型結(jié)構(gòu)，膠絲間距增大會(huì)降低單元結(jié)構(gòu)的彎曲剛度，從而導(dǎo)致初始模量較低，并進(jìn)而影響硅橡膠泡沫材料后續(xù)平臺(tái)區(qū)的力學(xué)性能。

在2種結(jié)構(gòu)的平臺(tái)區(qū)，計(jì)算其應(yīng)力差值Δσ，如表1所示。同時(shí)為進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用相同結(jié)構(gòu)參數(shù)，在有限元模型的基礎(chǔ)上，分別計(jì)算不同膠絲間距(l=0.6 mm,0.7 mm,0.8 mm,0.9 mm,1.0 mm)對(duì)應(yīng)硅泡沫結(jié)構(gòu)平臺(tái)區(qū)壓縮應(yīng)力差值與應(yīng)力中值；同時(shí)為便于不同參數(shù)影響規(guī)律的對(duì)比分析，根據(jù)本文仿真結(jié)果的最大應(yīng)力值做歸一化處理(下同)，如圖11、圖12所示。結(jié)合實(shí)驗(yàn)與有限元仿真結(jié)果分析表明無論SC型結(jié)構(gòu)還是FCT型結(jié)構(gòu)，膠絲間距的增加均會(huì)降低結(jié)構(gòu)在工作區(qū)間的剛度，使工作區(qū)間的應(yīng)力中值變小，同時(shí)應(yīng)力增長更為平緩，結(jié)構(gòu)應(yīng)力中值與應(yīng)力差值的變化趨勢(shì)基本一致。

表1 不同膠絲間距結(jié)構(gòu)計(jì)算出的應(yīng)力差

圖11 不同膠絲間距的SC型結(jié)構(gòu)壓縮性能曲線

圖12 不同膠絲間距的FCT型結(jié)構(gòu)壓縮性能曲線

結(jié)合研究結(jié)果表明，膠絲間距大的硅橡膠泡沫材料，其層間變形基本以垂直于中軸線的截面變形(彎曲或壓縮)為主，由于變形引起的橫向剪切及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)基本可忽略；膠絲間距變小時(shí)，單胞結(jié)構(gòu)單邊從細(xì)長梁逐步變化為短梁，橫向剪切及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)逐漸增大，局部受力不均衡，導(dǎo)致應(yīng)力平臺(tái)更窄，平臺(tái)區(qū)的應(yīng)力增加更快。并且在2種結(jié)構(gòu)的壓實(shí)區(qū)，由圖9、圖10可知，在相同載荷作用下，膠絲間距大的3D打印硅泡沫材料，其密實(shí)化區(qū)的應(yīng)變起始點(diǎn)后移。這是由于密實(shí)化區(qū)與硅泡沫材料的孔隙度密切相關(guān)，孔隙度低的硅泡沫材料在承受相同載荷時(shí)由于孔隙度較小，被快速壓實(shí)而提前進(jìn)入密實(shí)化階段；膠絲間距大的硅泡沫材料其孔隙度也相應(yīng)較大，導(dǎo)致在相同載荷作用下硅泡沫材料可以有較大的壓縮變形，進(jìn)而導(dǎo)致其壓縮應(yīng)力較小，密實(shí)化區(qū)后移，應(yīng)力應(yīng)變曲線更為平緩，這與傳統(tǒng)泡沫孔隙度影響的規(guī)律一致[5]。

3.3 不同膠絲直徑對(duì)壓縮力學(xué)性能影響

為對(duì)比分析膠絲直徑對(duì)3D打印硅橡膠泡沫材料壓縮力學(xué)性能的影響，保持3.1節(jié)中其他打印參數(shù)不變，分別采用打印速度為6 mm/s以及7 mm/s制備出不同膠絲直徑的3D打印硅橡膠泡沫材料。為直觀表征硅橡膠泡沫材料膠絲直徑的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用光學(xué)顯微鏡對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)多個(gè)部位進(jìn)行測(cè)試取其平均值，測(cè)量結(jié)果見圖13，其中測(cè)量出打印速度6 mm/s的膠絲直徑為(0.242±0.015) mm，打印速度7 mm/s的膠絲直徑為(0.232±0.014) mm。同時(shí)對(duì)圖13微觀形貌進(jìn)行分析，可知打印的膠絲直徑是不均勻的，在上下層重疊處會(huì)出現(xiàn)“溢膠”的情況，漿料會(huì)在上下層接觸點(diǎn)處往周圍溢出，出現(xiàn)如圖所示的微觀結(jié)構(gòu)。

圖13 不同打印速度下成型的泡孔結(jié)構(gòu)及線寬測(cè)量圖

圖14、圖15是不同膠絲直徑樣品壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，結(jié)合式(1)、式(2)可知，SC型結(jié)構(gòu)與FCT型結(jié)構(gòu)的初始?jí)嚎s模量E*均隨膠絲直徑d的增加而增加；但其與膠絲間距影響對(duì)壓縮力學(xué)性能的影響機(jī)制不同，對(duì)于SC型結(jié)構(gòu)增大膠絲直徑會(huì)增加胞元的壁厚，進(jìn)而增加每個(gè)胞元的承載能力；而對(duì)于FCT型結(jié)構(gòu)增大膠絲直徑會(huì)增加其彎曲剛度，增大整個(gè)結(jié)構(gòu)線性區(qū)的初始模量。

圖14 不同膠絲直徑的SC型結(jié)構(gòu)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖15 不同膠絲直徑的FCT型結(jié)構(gòu)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

在2種結(jié)構(gòu)的平臺(tái)區(qū)，計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果的工作區(qū)間應(yīng)力差值Δσ，見表2所示。同時(shí)采用相同結(jié)構(gòu)參數(shù)，在有限元模型的基礎(chǔ)上，分別計(jì)算不同膠絲直徑(d=0.24 mm,0.25 mm,0.26 mm,0.27 mm,0.28 mm)對(duì)應(yīng)硅泡沫結(jié)構(gòu)平臺(tái)區(qū)應(yīng)力差值與應(yīng)力中值，并進(jìn)行歸一化處理；結(jié)合實(shí)驗(yàn)與有限元仿真結(jié)果圖16、圖17可知無論是SC結(jié)構(gòu)還是FCT結(jié)構(gòu)，增加膠絲直徑，均會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)區(qū)的應(yīng)力差值增大，并同步增加其平臺(tái)區(qū)的應(yīng)力中值，2種結(jié)構(gòu)應(yīng)力中值與應(yīng)力差值的變化變化趨勢(shì)基本一致。對(duì)于膠絲直徑，與膠絲間距相似，膠絲直徑大的硅橡膠泡沫材料，單胞結(jié)構(gòu)單邊從細(xì)長梁逐步變化為短梁，受到壓縮載荷時(shí)橫向剪切及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較膠絲直徑小的材料更為明顯，局部受力更為不均衡，導(dǎo)致應(yīng)力平臺(tái)變窄，平臺(tái)區(qū)的應(yīng)力增加更快。在2種結(jié)構(gòu)的密實(shí)區(qū)，其他參數(shù)均相同的條件下膠絲直徑的增大會(huì)使其孔隙度變小，進(jìn)而導(dǎo)致其密實(shí)區(qū)前移，應(yīng)力應(yīng)變曲線快速增加，從而影響密實(shí)化階段的進(jìn)程。

表2 不同膠絲直徑結(jié)構(gòu)計(jì)算出的應(yīng)力差

圖16 不同膠絲直徑的SC型結(jié)構(gòu)壓縮曲線

3.4 打印層數(shù)對(duì)壓縮力學(xué)性能影響研究

工程上對(duì)于功能部件之間不同間隙會(huì)對(duì)硅泡沫材料的厚度有嚴(yán)格要求，因此需研究打印層數(shù)的硅泡沫材料對(duì)壓縮力學(xué)性能的影響。保持3.1節(jié)中的其他參數(shù)不變，分別制備出8層、12層SC結(jié)構(gòu)與FCT結(jié)構(gòu)的3D打印硅橡膠泡沫材料。

SC結(jié)構(gòu)、FCT結(jié)構(gòu)8層與12層樣品的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖18、圖19所示，結(jié)合式(1)、式(2)可知，層數(shù)對(duì)3D打印硅橡膠泡沫材料的線性區(qū)初始?jí)嚎s模量E*無影響，僅在制備過程中由于材料分散性、結(jié)構(gòu)分散性等不可控因素有細(xì)微的差別。

在2種結(jié)構(gòu)的平臺(tái)區(qū)，計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)力差值Δσ。對(duì)于SC結(jié)構(gòu)，打印層數(shù)8層樣品為0.067 MPa(0.071～0.138 MPa)，12層樣品為0.064 MPa(0.065～0.129 MPa)；對(duì)于FCT結(jié)構(gòu)，打印層數(shù)8層與12層應(yīng)力差值分別為0.139 MPa(0.046～0.185 MPa)、0.118 MPa(0.041～0.159 MPa)。采用相同結(jié)構(gòu)參數(shù)，在有限元模型的基礎(chǔ)上，分別計(jì)算不同層數(shù)(6層、8層、12層)對(duì)應(yīng)硅泡沫結(jié)構(gòu)平臺(tái)區(qū)壓縮應(yīng)力差值與應(yīng)力中值；結(jié)果如圖20、圖21所示。由此可見，對(duì)于同一種結(jié)構(gòu)，不同層數(shù)硅泡沫材料對(duì)應(yīng)力差值的影響較應(yīng)力中值更為明顯，層數(shù)越多的樣品應(yīng)力差值越小，工作區(qū)間應(yīng)力增長也更平緩，壓實(shí)區(qū)也相應(yīng)的后移。這是由于對(duì)于打印層數(shù)，3D打印硅橡膠泡沫材料層數(shù)增加，單胞結(jié)構(gòu)不變，其變形機(jī)制相同；但硅橡膠泡沫材料承受壓縮載荷時(shí)應(yīng)力經(jīng)過層層傳遞，受力更為均衡，因此工作區(qū)間應(yīng)力增長更為平緩。因此打印層數(shù)的增加更有利于在保持應(yīng)力中值基本不變或變化較小的條件下降低應(yīng)力差值，使平臺(tái)區(qū)應(yīng)力增長更為平緩，提升3D打印硅橡膠泡沫材料的壓縮性能。

4 結(jié)論

本文基于研究團(tuán)隊(duì)自主搭建的直寫式3D打印運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，制備了具有高度有序結(jié)構(gòu)的硅橡膠泡沫材料試樣。通過與傳統(tǒng)發(fā)泡法制備的硅橡膠泡沫材料對(duì)比表明，其具有高度有序、泡孔結(jié)構(gòu)可控、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，制備了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的3D打印硅橡膠泡沫材料，并對(duì)其關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)如：泡孔結(jié)構(gòu)、膠絲間距、膠絲直徑、打印層數(shù)等進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：

1) 3D打印硅橡膠泡沫材料應(yīng)力應(yīng)變曲線可分為線性區(qū)、平臺(tái)區(qū)、壓實(shí)區(qū)。線性區(qū)彈性模量與其胞元結(jié)構(gòu)參數(shù)直接相關(guān)；

2) 結(jié)合直寫式3D打印制備的2種結(jié)構(gòu)硅泡沫材料，SC型結(jié)構(gòu)線性區(qū)以壓縮變形為主，F(xiàn)CT型結(jié)構(gòu)在線性區(qū)以彎曲變形為主；相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下SC型結(jié)構(gòu)比FCT結(jié)構(gòu)具有更高的初始?jí)嚎s模量；

3) 無論對(duì)于SC結(jié)構(gòu)還是FCT結(jié)構(gòu)，膠絲間距變大或膠絲直徑減小均會(huì)降低其平臺(tái)區(qū)應(yīng)力中值，使平臺(tái)區(qū)應(yīng)力變化更為平緩；而打印層數(shù)的增加則對(duì)平臺(tái)區(qū)應(yīng)力差值的影響較對(duì)應(yīng)力中值的影響更為顯著，更有利于在保持應(yīng)力中值基本不變或變化較小的條件下，使其平臺(tái)區(qū)應(yīng)力變化更為平緩，提升其壓縮性能。

4) 無論對(duì)于SC結(jié)構(gòu)還是FCT結(jié)構(gòu)，通過改變膠絲直徑、膠絲間距和打印層數(shù)均能有效調(diào)控硅橡膠泡沫材料壓縮性能的平臺(tái)區(qū)應(yīng)力中值與平臺(tái)寬度，為后續(xù)直寫式3D打印硅橡膠泡沫材料的壓縮性能定制化設(shè)計(jì)提供支撐。