文章导读
三周期极小曲面（TPMS）整体结构由隐式函数精确控制，结构因具有稳定的能量吸收能力、轻质以及高比强度等优良特性，在结合形状记忆聚合物（SMP）等智能材料后，有望在新型可设计功能方面带来更多可能性。
近期，东南大学土木工程学院蔡建国教授与刘天珍助理研究员在International Journal of Smart and Nano Materials上发表了题为“Mechanical and shape-memory properties of TPMS with hybrid configurations and materials”的论文，提出了一种由粘弹性和形状记忆材料构成的混合构型和材料的TPMS点阵结构，旨在实现温度敏感的力学性能并带来额外的能量耗散机制。研究通过引入聚乳酸（PLA）、纤维增强聚乳酸和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等多种材料及不同的TPMS构型，设计并制备了不同的TPMS点阵结构，研究了其形状记忆性能和可重复使用性，并验证了结构的多级能量吸收能力和可调节的隔振性能。
文章内容
TPMS结构中各表面光滑连续，孔洞之间相互连通，避免了传统点阵多孔结构中的转折和连接所带来的应力集中。具有不同梯度分布的TPMS结构通过3D打印PLA材料的方式制备，如图1所示。在此基础上，利用双喷头，在原有的PLA为基体的TPMS结构上叠加打印，从而实现具有双组分材料的TPMS结构制备。另外，考虑到TPMS结构的多孔和连通的特性，在TPMS中间灌注PDMS，能够实现复合型TPMS结构的制备。
图1 不同构型下的TPMS结构。（a）结构相对密度32%；（b）梯度变化的结构，相对密度有30%过渡到50%；（c）混合构型下的TPMS结构；（d）基于PLA和PLA-CF混合的TPMS结构；（e）复合型TPMS+PDMS结构
图2给出了具有IWP构型的梯度TPMS结构的载荷-位移曲线图。可以看出，该TPMS结构具有多级的能量吸收行为。在梯度变化的TPMS结构中，由于不同区域屈服强度的差异，结构中主要产生了三阶段的能量吸收效应，而这一差异主要由于结构区域的相对密度所决定。顶部第一层的局部屈曲为第一阶段，随后的第二层和第三层分别为第二阶段和第三阶段，即屈曲强度随着相对密度的增加而增加。因此，可以通过调整密度梯度和结构层数来编程多阶段能量吸收行为。
图2 具有IWP构型的梯度TPMS结构的多级能量吸收行为
此外，TPMS结构作为一种典型的周期性结构，同时考虑到PLA材料以及PDMS材料的非线性力学特性，其在一定频率范围内表现出优异的隔振性能。如图3所示，给出了不同温度环境下，不同结构在0-2000Hz频率范围内的振动幅值传递曲线。从图中可以看出，传递曲线的峰/谷值分别对应共振域和衰减域，且随温度发生明显变化。当温度从常温25℃升高到75℃时，具有隔振效果的衰减频带范围逐渐扩大，这归因于PLA的温度依赖特性。在75℃时，由于结构刚度的明显变化，最大衰减约为2dB。另一方面，随着温度的升高，共振峰明显减弱，其中当温度达到65℃和75℃时，频率在1400 Hz左右的峰值逐渐变缓。因此，TPMS结构的透射率可以通过温度、混合结构和材料的设计来调节，从而实现隔振性能的可编程调控。
图3 不同温度环境下，TPMS结构的隔振性能。(a)-(d) 常温环境下，不同构型TPMS的隔振性能；(e)-(h) 45℃环境下，不同构型TPMS的隔振性能；(i)-(l) 65℃环境下，不同构型TPMS的隔振性能；(m)-(p) 75℃环境下，不同构型TPMS的隔振性能。
东南大学助理研究员刘天珍为本文第一作者及通讯作者，蔡建国教授为共同通讯作者。
课题组简介
蔡建国，东南大学教授、博士生导师，国家优秀青年基金获得者，钱学森空间技术研究室兼职研究员、中国空间技术研究院兼职博士生导师。主要从事可展与折叠结构、预应力空间结构、折纸结构的理论研究、结构分析与试验研究。正在主持或者主持完成国家重点研发计划课题，国家自然科学基金优秀青年基金、青年基金项目、载人航天领域预先研究项目（第三期和第四期），江苏省六大人才高峰项目，江苏省自然科学基金优秀青年基金。先后荣获江苏省优秀博士学位论文、教育部科技进步二等奖。发表SCI收录论文50余篇，授权国家发明专利50余项。
刘天珍，工学博士，东南大学助理研究员，入选中国科协青年人才托举工程，江苏省卓越博士后计划。本博毕业于哈尔滨工业大学航天学院，期间分别以国家公派本科生和博士生身份赴美国德州农工大学和加州大学洛杉矶分校联合培养。研究方向围绕智能材料与结构的大变形理论及其在空间展开结构的应用。主要从事形状记忆聚合物本构关系、粘弹性壳体的屈曲、多场耦合下智能结构/力学超材料的变形理论及其应用等相关工作。主持国家自然科学基金青年基金、江苏省自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金特别资助、中国博士后科学基金面上项目、GF科工局一般项目、重点实验室开放课题等项目。发表SCI论文二十余篇，其中以第一作者身份在Journal of the Mechanics and Physics of Solids、International Journal of Mechanical Sciences、Composites Science and Technology、Composites Part A等领域权威期刊发表论文十余篇。
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引用：
Liu, T., Zhao, W., Yao, Y., Lin, C., Zhao, H., & Cai, J. (2024). Mechanical and shape-memory properties of TPMS with hybrid configurations and materials. International Journal of Smart and Nano Materials, 1–25. https://doi.org/10.1080/19475411.2024.2410289
期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获取英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2023年影响因子为4.5。
IJSNM主要发表国内外智能材料、智能结构力学与设计、多功能纳米材料等领域的最新研究成果和前沿进展，涵盖智能材料与结构、多功能纳米复合材料、4D打印技术、仿生结构、柔性机器人、传感器、结构健康监测等领域，主要刊登具有创新性的综述论文（Review Articles）、研究论文（Research Articles）和短篇报道（Short Communications）等。
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