导读
超构晶格材料(Lattice Architected Material)由结构化设计的晶格单元按需布置组成，能够实现轻质、高比强度、吸能耗能、裂缝控制和耐疲劳等可调节力学性能，是一类高性能力学超材料。得益于3D打印技术的进步，任意复杂构型的晶格超材料均能制备成型，受到材料学、生物医疗、航空航天、机械工程等诸多领域广泛研究。
但目前的研究具有两个局限，一是高性能晶格超材料停留在微纳米的小尺寸范围难以增大尺度，二是工程局部采用晶格材料依赖于成本昂贵的金属增材制造。本课题组则致力于超材料在土木工程领域中的应用研究，采取的策略之一即是“超构晶格增强土木工程材料的复合策略(Architected Lattice-Reinforced Composites, LRC)”。基于前期研究，我们继续提出将超构材料应用于特定场景和关键界面位置的思路，一方面使晶格超材料的增强性能和新增功能最大化，另一方面使3D打印定制化设计和快速制备的优势充分发挥。近日，课题组博士生解兵林等同学的相关成果于Construction and Building Materials期刊发表了题为“Controlling crack propagation in layered beams with architected lattice-reinforced composite interlayer design”的文章。详情请参考：
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.136174或点击文末阅读原文进行查看。
论文针对沥青路面、桥面铺装等多层复合结构中容易出现反射裂缝引起的病害问题，将超构晶格复合材料作为层间的局部增强措施，如图1所示，这项概念验证研究从经典的2D几何和3D几何设计开始，采用再生聚合物材料进行3D打印制备成型。
图1-3D打印晶格应力吸收层在沥青路面多层结构中的设计概念
论文按路面材料类型组合研究了两类多层复合梁模型，分别是 ①沥青混合料上层+晶格应力吸收夹层+水泥混凝土下层 (LRACC)，②沥青混合料上层+晶格应力吸收夹层+沥青混合料下层 (LRAAC)。同时采用高黏乳化沥青和水泥基砂浆分别作为晶格应力吸收夹层与上层和下层的复合连接方式，因此提出沥青粘结法和水泥胶结法来制备模型梁试件，如图2所示，还采用了一种工程常用的聚酯长丝土工布作为对照组。
图2-LRACC和LRAAC试件制备
为了评价3D打印晶格应力吸收夹层增强沥青路面多层结构抗反射裂缝性能，我们利用晶格多孔、易嵌合、吸能耗能和裂缝控制的特点，通过优选晶格几何设计、3D打印材料适配和层间连接方法增强路面结构层间组合连接。并按照I型弯曲受力模式采用单边切口梁模型分别开展三点弯曲静力加载的断裂试验和循环加载的疲劳试验及扩展有限元XFEM分析。两类梁模型的断裂过程显示，当下层裂缝反射至晶格夹层，柔性晶格层能够耗散裂缝尖端应力，晶格与沥青混合料集料的嵌合及层间粘结力形成的张拉作用使裂缝扩展发生偏转，但两类组合层间结构分别起到了增强和增韧作用，直至夹层间的脱粘变形将耗散300%和132%的断裂能，使循环荷载下的疲劳断裂寿命实现了3个数量级的提高，进而提升晶格夹层的应力吸收性能，有效控制反射裂缝向上传播。
图3-LRACC复合梁试件断裂过程03
图4-LRACC复合梁试件断裂分析结果
总结
对优异力学性能的追求，使小尺度的超构晶格材料被各领域在材料层面开展了广泛的研究，但本课题组关注的是超构晶格材料在土木工程领域中的一些特定受力场景下具有实际应用意义的导向性研究。本研究旨在为延长路面使用寿命提供定制化的解决方案，并促进废弃塑料的再生应用，为实现可持续的未来减碳降碳。我们相信，3D打印超构晶格增强复合材料策略将为设计和优化高性能的韧性基础设施提供一条新途径。
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来源于多样化结构实验室VSL
排版 | 李佳琪
审核 | 胡 楠
