增材制造多孔陶瓷结构的机械性能

供稿人：陈衍龙、连芩
供稿单位：西安交通大学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

以点阵结构为典型代表的多孔结构，因其轻量化、结构可设计、结构功能一体化等优异特性受到了越来越多的研究与关注。陶瓷材料具有低密度、高强度、优异的耐化学腐蚀特性，在极端环境下具有更优的应用前景。但由于陶瓷材料的脆性大、硬度高，传统工艺难以实现复杂异形陶瓷点阵结构的制备，这极大制约了陶瓷材料点阵结构的相关研究。

北京理工大学的何汝杰团队系统研究了3D打印陶瓷材料点阵结构的承载性能，该团队利用光固化DLP技术制备了不同结构参数(相对密度、胞元层数、胞元大小和胞元构型)的Al2O3点阵结构，打印结构如图1所示，通过准静态压缩测试发现，增加相对密度会使单层Al2O3点阵结构的力学性能以指数规律提升，且失效模式会发生转变。然而，相对密度提高带来的质量增加对结构的轻量化不利。

图1 （a）不同相对密度和不同层数的Al2O3点阵结构宏微观形貌；（b）小尺寸胞元和 (c) 不同构型的Al2O3点阵结构宏观形貌

单层和双层Al2O3点阵结构的力学性能相似，且显著低于三层Al2O3点阵结构的力学性能，如图2所示。层数能显著放大相对密度对Al2O3点阵结构力学性能的影响并改变其失效模式。随着层数增加，Al2O3点阵结构由沿节点的随机取向破坏向沿特定取向的平面破坏，如图3所示。缩小胞元尺寸能在不损失结构轻量化效果、不改变失效模式的前提下提高其力学性能。因此，在缩小胞元尺寸的同时适当降低相对密度既能满足结构件的承重需求，又不会降低其轻量化效果。

图2 不同相对密度和层数的Al2O3点阵结构力学性能总结 (a)抗压强度、(b)杨氏模量、(c)能量吸收、(d)比抗压强度、(e)比杨氏模量、(f)比能量吸收、(g)应变

图3 不同相对密度和层数的Al2O3点阵结构失效模式总结

胞元构型对Al2O3点阵结构的力学性能有显著影响。Al2O3点阵结构压缩强度和杨氏模量从高到低对应的构型依次为：改进体心立方构型、Octet、SchwarzP、IWP和体心立方，如图4所示。胞元构型对Al2O3点阵结构的失效模式几乎没有影响，Al2O3点阵结构中被破坏的节点大部分都集中于特定取向平面。

图4 不同构型的Al2O3点阵结构以及其力学性能总结

最后，团队系统地归纳了在压缩载荷下，相对密度、胞元层数、胞元尺寸及胞元构型等结构参数对胞状陶瓷结构力学行为的影响规律，厘清了各参数间的耦合关系对胞状陶瓷结构力学性能的影响，为设计和研究具有特定力学性能的多孔陶瓷结构奠定了基础。

参考文献：
Zhang X,ZAHGN K,ZHANG B, et al. Mechanical properties of additively-manufactured cellular ceramic structures: A comprehensive study. Journal of Advanced Ceramics,2022,11(12):1918-1931.