VPP 通过填充四面体线框,开发强、硬、轻的抗压机械超材料

文摘   2024-12-16 12:00   江苏  

多孔材料具有优异的承载能力是必不可少的航空航天,造船和生物医学设备的轻量化结构的要求。本文提出了一种壳基结构机械超材料的设计策略。通过对四面体线框曲面的再填充,消除了结构内部的封闭空腔,提高了可加工性。修改后的四面体被镜像,以特定的比例(25%,50%和75%)切割,并排列形成不同的结构。采用立体光刻试样和数值方法对结构的压缩性能进行了研究。与基于三周期极小面(TPMS)和基于支柱结构的力学超材料相比,新型壳基结构具有优异的强度和刚度。与Gyroid结构相比,切割比例为50%的结构抗压强度和杨氏模量分别提高65%和80%。该研究为具有优异抗压性能的机械超材料提供了一种新的设计策略。


本文采用一种新的设计方法生成机械超材料。四面体线框重新填充曲面,然后镜像修改的四面体来创建初始单元。然后,这些单元被按特定的比例切割,并排列成不同的结构。通过改变边缘的切割比例,可以调节结构的压缩性能。通过SLA工艺制备了所提出结构的单层和大块样品。进行了压缩试验和有限元分析。结论如下:


(1)采用保留四面体线框并填充曲面的点阵结构设计策略是可行的,通过消除结构的内腔来提高结构的可制造性,并保留相当的力学性能。

(2)压缩试验结果表明,25%切量模型的压缩稳定性和能量吸收能力最好,75%切量模型的模量和强度最高。研究还发现,与已有的几种结构相比,新结构表现出更优越的压缩性能(例如,与TPMS-G结构相比,强度提高了65%,杨氏模量提高了80%)。

(3) Gibson-Ashby拟合结果表明,所提出的力学超材料的幂律指数较小,综合性能最佳的50%切割结构E∝r 1.23, σ∝r 1.52,表明其在低相对密度(30%)下具有显著的优势。

(4)通过调整切割比例,结构的几何形状是可控的,因此所提出的结构在功能超材料的开发中具有应用潜力。

综上所述,这些发现表明,通过填充四面体线框设计的轻质机械超材料能够有效地承担承重任务,并且比一些现有结构具有优势,这意味着其在航空航天,造船和生物医学设备方面的潜在应用。





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