无模直写制备负泊松比多孔材料及其力学行为研究.pdf
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1、DOI1672-6634004-0035-0910.19728/jissn1672-6634.2022120008文章编号Journal of Liaocheng University(Nat.Sci.)Aug.20232023年8 月Vol.36No.4聊城大学学报(自然科学版)第4期第3 6 卷无模直写制备负泊松比多孔材料及其力学行为研究陈煦芬,杨炜沂(西南交通大学材料科学与工程学院、材料先进技术教育部重点实验室,四川成都6 10 0 31)摘要通过无模直写成型技术制备了具备负泊松比特性的周期胞元结构柔性多孔材料,分别设置胞元结构角度、胞元周期以及基体材料性质作为实验变量,结合单轴压缩和拉
2、伸测试过程中样品的形变模式与应力-应变曲线特征,分析讨论了各因素对周期胞元结构力学响应的影响。研究发现,结构负泊松比效应主要取决于胞元结构角度,而对于整体样品的弹性模量和能量吸收性能,胞元周期为主要影响因素。关键词负泊松比;多孔材料;无模直写;力学行为中图分类号TB383文献标识码A开放科学(资源服务)标识码(OSID)Study on the Influencing Factors of Mechanical Responseof Three-Dimensional Negative PoissonsRatio Porous MaterialsCHEN Xufen,YANG Weiyi(Ke
3、y Laboratory of Advanced Technologies of Materials(Ministry of Education),School of Materials Scienceand Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)Abstract 3D periodic cell structure porous samples with negative Poissons ratio characteristics were crea-ted by direct writing.Comb
4、ining with the deformation mode and stress-strain curve characteristics of thesample during uniaxial compression and tensile tests,the angle of cell structure,cell period,and matrix ma-terial properties were set as experimental variables to analyze and discuss the influence of each factor onthe mech
5、anical response of the periodic cell structure.It is found that the negative Poissons ratio effect ofstructure mainly depends on the angle of the cell,and the period of a cell is the main influencing factor forthe elastic modulus and energy absorption performance of the overall sample.Keywordss Nega
6、tive Poissons Ratio;porous materials;direct-writing;mechanical response1引言泊松比又称横向变形系数,通常以表示,用于表征材料在载荷作用下各垂直方向形变量之间的关系,定义为载荷作用下的材料垂直载荷方向应变1与沿载荷方向应变2之比的负值,即=一1/2。正泊松比材料在受到纵向压缩时发生横向膨胀,受到拉伸时则伴随着横向收缩。而当材料的泊松比为负时,在变形收稿日期:2 0 2 2-12-17基金项目:中央高校基本科研项目(2 6 8 2 0 2 2 ZTPY083);四川省科技厅港澳台科技创新合作项目(2 0 2 1YFH0163)
7、资助通讯作者:杨炜沂,男,汉族,博士,副教授,研究方向:环境功能材料,E-mail:w y y a n g s w j t u.e d u.c n。2.2宽36聊城大学学报(自然科学版)过程中表现出相反的行为,这类材料被称为负泊松比材料或者拉胀材料1.2。当多孔结构引入负泊松比特性时,既保留了多孔材料内部能量传递、裂纹扩展困难的特点,又基于负泊松比效应,材料在受压载荷作用时向施力部位收缩聚集,很大程度上缓解了多孔材料因低密度带来的力学性能牺牲,表现出更高的比强度、能量吸收率以及优良的抗压痕性、断裂韧性等3-6,因此这类材料在工业防护7-9、航天航海10-13、交通运输14.151等领域受到了越
8、来越多的关注。泡沫、薄板、薄膜等1-4.7 16-18 人造负泊松比多孔材料较早得到研究和开发,并且已在工程上获得了一定的应用,但此类无序胞元结构或二维平面材料仍存在材料性能参数波动、应用范围窄等不足。相较而言,三维负泊松比结构更能充分发挥材料的耐冲击特性,周期性的有序拓扑结构能够实现多孔材料比强度和比刚度的提升3;此外,其性能参数的易调控和稳定性的优势也为超材料19-2 3的发展提供了全新的方向。然而,周期性有序三维负泊松比多孔材料在构型上的复杂度使其制备难度大大提高。目前已有的三维负泊松比多孔材料设计性研究工作主要集中于理论分析、有限元模拟与刚性支架模型的验证12.17.2 1.2 3-2
9、 8 1,与材料的实际应用仍有一段距离,因此负泊松比胞元结构的设计优化、制备工艺、性能参数调控等研究方向的协同进行,对于推动负泊松比多孔材料的发展具有重大意义。性能影响因素的作用规律是研究胞元结构材料设计的关键内容。由于负泊松比效应来自于胞元在载荷作用下的特殊变形方式,因此胞元形状是三维多孔负泊松比材料设计时的首要考虑因素,结构的几何参数决定了胞元中力的传递方式和胞元壁的变形方式,进而极大影响着整体结构的力学响应;其次,作为胞元排列组合成的整体,胞元之间有着共同的结构顶点或胞元壁,胞元在受载荷作用时的应力分布和变形势必会受到相邻胞元的影响,因此胞元周期数也是多孔材料设计过程不可忽视的考察因素。
10、新型高效的材料构筑方法有利于辅助研究胞元结构设计优化以及实现材料结构参数的快速调控。无模直写3D打印技术是一种新型的三维成型技术,由计算机辅助控制系统、三维运动平台系统和浆料输出控制系统三部分构成,各系统控制打印浆料按照模型截面直接“书写”以建立模型,适用于多种复杂精细的三维结构,具有设备简单、成型快速的特点。本研究借助该项技术在制备复杂三维结构上独特的优势,研究三维负泊松比胞元对整体结构力学性能和行为的影响。实验采用双箭头结构2 9 作为研究对象,分别研究了几何参数(内凹角角度)、胞元周期数与基体材料性质对三维负泊松比多孔材料力学响应的影响规律展开研究,系统地分析了胞元结构样品的形变机制、弹
11、性模量、能量吸收性能,以期为新型负泊松比结构材料的发展提供设计思路。2实验2.1实验原料与仪器设备去离子水,无水乙醇、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、固化剂、钛酸(BTO,9 9.9%分析纯)。高速离心机(T G L-16,山东百欧医疗科技有限公司)、3D打印机(ZCC2000型,厦门智创诚科技有限公司)、精密点胶机(A D-9 8 3型,东莞市长安金锋五金机械厂)、无油静音空气压缩机(EWS06型,浙江永源机电制造有限公司)、电子万能试验机(INSTRON)等。(a)(b)24.424.010.0h2.520.721.1单位:mm图1胞元(a)结构参数和(b)样品尺寸示意图(l=5.20mm;h
12、=6.0 0 m m;0。用于固定和变量参数之间的协调)2.2样品制备1模型构建与变量设置。实验采用的胞元结构参数示意以及周期样品尺寸如图1所示,其中,胞元a陈煦芬,等无模直写制备负泊松比多孔材料及其力学行为研究第4期37高(I、h)和样品尺寸为固定。为分别探究结构在压缩载荷和拉伸载荷下的力学响应,样品分设压缩样品与拉伸样品两类。本文对胞元周期样品力学响应的探究围绕结构与材料两方面展开,分别设置胞元角度、胞元周期T和基体材料固体粉末质量分数w三组变量,胞元结构样品不同变量参数设置如表1所示,样品模型根据此参数信息进行构建和打印切片处理。表1胞元结构样品不同变量参数设置实验组变量参数值一4903
13、04560T456780%30%50%70%2.2.2直写成型。样品制备选择PDMS1700作为直写浆料,这是一种流变性质非常适合无模直写的材料30,在完全固化后具有良好的柔性和弹性,能够在较小的应力水平发生响应,且实时反映出结构内部的应力变化。由此,测试中样品连续直观的形变过程便于分析样品胞元结构的形变模式。实验组、的直写浆料为PDMS与固化剂按质量比10:1充分混合,第组的直写浆料以同质量比例的PDMS与固化剂为基体材料,分别添加不同质量分数的刚性陶瓷粉末充分混合,本文采用的是钛酸钡粉。将混合完全的浆料填入打印料筒后,在40 0 0 r/min的转速下离心15min脱去气泡,以打印角度为变
14、量和质量分数为变量的样品组统一采用内径尺寸为2 6 0 mm的针头;打印周期为变量的样品组则采用内径尺寸为16 0 mm的针头。不同型号针头打印对应的切片参数和打印参数如表2 所示。表2不同型号针头打印对应的切片参数和打印参数针头内径/mm切片层高/mm填充率打印速度/(mmmin-1)填充降速比率气压/kPa2600.3100%60078030%1512001600.2100%1.08030%151打印完成后,将样品在8 0 下恒温加热1h完全固化,PDMS在固化后无明显体积收缩或结构变形,对照模型尺寸和样品尺寸,其误差小于5%。图2 是由内径为2 6 0 mm的针头在如表2所示的打印参数下
15、,制备的切片层高为0.3mm的样品照片,可以发现,固定参数下打印的浆料层尺寸均匀,垂直打印方向堆积平均打印层宽度约(b)1000um1 000 m图2PDMS样品打印层显微图像(a)打印垂直方向:(b)打印水平方向为2 9 7.8 mm,水平打印方向胞元壁平均宽度约为32 0.6 mm,打印尺寸误差在10%以内,打印层垂直方向和水平方向宽度不一致,主要是由于打印速率和气压参数设置以及直写过程中浆料层之间的堆积挤压作用。(a)0B-4900=3000=450=600VAVAVAYVAVAVAVAVAVAVAVAVAVAVVAVAVAVATAVAVAVA5671567156715671567(b)
16、T-4T-ST-6T-7T-8VAVAVAYIAVAYAVAVANAYANVAVAVA(AYAVAYAYA)AYAYAVAYAYETAVAVAY(AVAVAVAVA)IATAVAYAYAYA(AVAVAYAVAATAYAIAYAVAYAYAVAN56715675677图3不同变量组的PDMS压缩样品(a)角度变量组;(b)胞元周期变量组另外,直写成型的PDMS样品打印层之间结合紧密,不同于熔融沉积制造的逐层打印固化,凝胶浆料直写的优势在于浆料层之间同步固化,层与层之间由于不同步固化收缩产生的应力和结合缺陷的问题可以忽略。统一的打印参数保证了同组样品的胞元壁宽度一致。图3是结构参数和胞元周期为变
17、量的压缩样品,各样品胞元结构清晰,样品变量参数符合模型设置值,故实际样品和模型的尺寸误差不影响对样品力学性能38聊城大学学学报(自然科学版)规律的探究。3测试与结果分析3.1机械性能测试考虑到试验效率和捕获的试样应变图像准确性要求,单轴压缩实验和拉伸试验的恒定应变速率分别为410-4s-1和8 10-3s-1,样品最终压缩应变为0.2 5,拉伸直至试样拉断,以下应力-应变曲线均为名义应力-应变曲线。3.1.1单轴压缩测试。各变量组的样品单轴压缩测试应力-应变曲线和对应过程中的压缩形变情况如图4所示,其中样品形变图分别选取压缩应变,=0.0 2、0.0 8、0.2 0,能够较好地反映出不同阶段的
18、形变情况,且整个阶段样品未被压实,能够保证应力-应变曲线所反映的信息与胞元力学行为相关。0.08(a)(b)6=306=450.06AAYAYAYAN0=60WAAAY8=06=-490.040.029=-490=00A=300=4506=6000.050.100.150.200.25应变(d)0.15VAAVAY4567YAVAVAVAAAMTT=T=70.10T=88AAAY0.050T=4T=5T=6T=7T=80.050.100.150.200.25应变0.16(f)0.14W=0%0.12WAVAYAMAAYANW=30%YAYAYAYATAVAVAYYATAYATAVANWSYAY
19、AYAVTAYAYAYA0.10W=50%W=70%0.080.060.040.020W=0%W=30%W=50%W=70%0.050.100.150.200.25应变图4不同变量组的样品单轴压缩形变情况及名义应力-应变曲线。角度变量样品压缩(a)形变和(b)应力-应变曲线;周期变量样品压缩(c)形变和(d)应力-应变曲线;混粉质量分数变量样品压缩(e)形变和(f)应力-应变曲线由图4(a,b)可以发现,胞元结构角度作为变量时,内凹胞元样品无论是形变情况还是应力-应变曲线均与非内凹胞元样品表现出较大差别。在压缩载荷作用下,样品的纵向压缩过程也表现出不同的形变模式,0=一49 的样品发生横向膨胀
20、,而=0、30、45、6 0 的样品在中部横向收缩,呈现出受压收缩的负泊松比特性。对应地,由应力-应变曲线可以看出,当压缩应变达到0.0 6 左右,=30、45、6 0 的内凹胞元结构样品的曲线开始产生应力平台,0=30、45时尤为明显,0=6 0 的曲线由于胞元壁之间夹角小,较小纵向应变时即发生部分胞元壁相互接触,曲线便快速上升,仅小应变范围内表现出平台阶段。确定胞元结构相同(选择=45,胞元壁形变过程和样品负泊松比效应易于观察),探究胞元周期数对样品力学响应的影响。如图4(c,d)所示,在同等压缩应变下,小周期数的样品在压缩时胞元结构形变明显,39陈煦芬,等无模直写制备负泊松比多孔材料及其
21、力学行为研究第4期相比于大周期数的样品表现出更大程度的横向收缩;对比周期变量压缩样品的应力-应变曲线,同一应变时,T=4、5、6 的样品所对应的应力均较小,而随着周期数的增大,即T=7、8 时,样品对应的应力明显增大,应力平台由平坦变陡。当胞元结构参数与周期确定(0=45,T=4)时,探究了基体材料性质对样品力学响应的影响,如图4(e,f)所示。各样品胞元结构形变过程相似,且在压缩载荷下发生横向收缩的幅度接近,但其抗压能力随着浆料混粉质量分数的增大有明显的增强,曲线均呈现应力平台。3.1.22单轴拉伸测试。图5为不同变量组样品拉伸应变e,=0.40 时的形变情况和应力-应变曲线。各样品在拉伸过
22、程中胞元壁不发生弯曲,胞元形状的变化未呈现阶段性,对应地,样品的拉伸应力应变关系基本呈线性。随着拉伸应变的增大,0=一49 和0 的样品在中部发生明显的横向收缩,而=30、45、6 0 的样品横向尺寸无明显变化,可见内凹胞元结构具有一定的拉胀效果。同样地,胞元结构相同时(0=45),周期数不同或者材料性质不同的样品在受拉时胞元结构的形变过程相似,如图5(b,c)所示,均未发生明显的横向收缩,说明具有拉伸膨胀的负泊松比特性,但在同等应变下,大尺寸胞元的样品形变更为显著。此外,胞元周期数对样品的拉伸应力-应变曲线有着明显的影响,样品受拉伸载荷时表现出的弹性模量也随着胞元周期数的增加呈增大趋势【图5
23、(e),而当胞元形状和周期都相同时(0=45,T=4),曲线在伸长阶段趋于重合【图5(f)。(a)6=-4900=00=300=4500=600(b)T=4T=5T=6T=7T=8(c)W=0%W=30%W=50%W=70%0.5(d)(e)(f)0.840.4TW=0%0.4T=7二W=30%0.6T=80.3二W=50%W=70%0.30.40.20.20=300=450=600.20.10.10=00=-490002.02.53.00.51.52.02.500.51.01.51.00.20.40.60.81.01.21.41.6应变应变应变图5不同变量组的样品单轴拉伸形变情况及名义应力-
24、应变曲线,角度变量样品拉伸(a)形变和((d)应力-应变曲线;周期变量样品拉伸(b)形变和(e)应力-应变曲线;混粉质量分数变量样品拉伸(c)形变和(f)应力-应变曲线以上拉伸应力-应变曲线能够反映出多孔胞元结构样品的断裂过程,拉伸样品整体的断裂是多个胞元壁断裂的共同结果,这些断裂往往不是同时进行的,主要集中于断裂后期,因此临近断裂时曲线呈现锯齿状。由于制备过程中存在打印参数的动态调节和潜在的环境干扰,导致了部分胞元壁存在横截面尺寸的差异或含有灰尘、杂质、气孔等缺陷,这些部位往往容易产生应力集中,率先发生断裂,因此,同种浆料制备的平行样品发生断裂时,对应的应变大小与最大拉伸强度也可能存在参差,
25、但对伸长阶段的曲线几乎无影响。而当基体材料中混合陶瓷粉末质量分数不同时,样品在断裂韧性上表现出相对明显的规律,混粉含量高的样品达到40聊城大学乡报(自然科学版)断裂时,应变和断裂强度都低于混粉含量低的样品。3.2分析与讨论3.2.1负泊松比效应。关于多孔材料的泊松比测量,本实验中采用了数字图像相关法对样品的轮廓位移进行分析。在单轴测试过程中,拍摄记录下样品在不同应变时的照片,其中,对于单轴压缩试验,记录样品y=0.00、0.0 2、0.0 4、0.0 6、0.0 8、0.10 时的样品形变图像;对于单轴拉伸试验,记录样品在,=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 时的
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