以竹子为启发的连续梯度结构高效材料

供稿人：李赛、鲁中良
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

由于竹子的轻质和高强度，其在许多领域得到了广泛应用。天然竹子由纤维增强材料构成，并拥有多孔的渐变结构，这使其具备卓越的力学性能。这种多孔度梯度是通过维管束的独特分布所形成的。科学家和工程师长期以来一直在尝试模仿这种结构，然而，由于仿竹渐变材料的制造具有挑战性，孔隙梯度分布对力学性能的作用仍缺乏定量研究。

图1 竹子微观结构与力学性能

Mao等人[1]定量的揭示了竹子内部细胞的结构设计。他们设计了六种模型，这些模型以自然界中竹子嵌入多孔的薄壁组织中的密集化维管束为特征，其截面具有分层多孔结构，并且孔隙度在不同层之间出现梯度连续变化。其设计的结构如图2所示。

图2 仿生模型的CAD设计及孔隙率统计

为了研究结构对力学性能的影响，该研究团队通过DLP制备了对应的模型。根据观察到的天然竹子不同的弯曲行为（图1f），其将密集区域放置在受拉面上，以实现更高的能量吸收。从结果中可以看到“无梯度”材料在破裂前的位移最小，并且负荷-位移曲线平稳上升，直到发生突然而灾难性的破坏（图3a）。在具有“小”和“大”梯度的模型中，随着多孔度梯度的增加，最大位移也增加。然而，梯度模型的最大载荷并未显示出明显的改善。与此同时，负荷-位移曲线呈线性增加，但在位移约为2毫米时开始出现波动。通过增加连续性，最大载荷得到了大幅改善（图3c）。梯度斜率对于前一模型中观察到的效果具有类似的作用。没有梯度的模型显示出最小的破裂位移和平稳的负荷-位移行为。当梯度斜率变得更陡时，破裂位移和最大载荷均增加。图3e、f结果表明不同模型中的最大载荷和能量吸收梯度的大小和连续性都对力学性能有显著影响。引入连续且大范围的梯度变化可以使最大弯曲负荷和能量吸收能力分别增加40%和110%。这些仿竹细胞结构为耐损工程结构的设计提供了高效的解决方案。

图3 设计模型的性能测试

参考文献：
A. Mao, J. Chen, X. Bu, L. Tian, W. Gao, E. Saiz, H. Bai, Bamboo-Inspired Structurally Efficient Materials with a Large Continuous Gradient, Small (2023) e2301144.