固~启发孪生的六边形紧密堆积超材料，增强能量吸收

文摘 2025-01-11 21:02 安徽

摘要

增材制造为设计和生产具有特殊性能的复杂建筑材料提供了前所未有的机会，同时保持了减轻的重量。创造这种结构最直接的方法之一是模仿晶体的晶格几何形状。新的方法正在探索如何通过模拟晶体排列和晶体尺度上的特殊机制来影响这些结构的行为。在这样的背景下，本研究首先提出了一个来自Ti或Zr金属的同构晶体结构的六边形密排(HCP)晶格。随后，导致这些金属塑性变形的孪生现象被几何再现到这种结构中，以提高其能量吸收能力。对3d打印样品进行的压缩试验证实了这一假设:孪生结构的比能量吸收明显高于同等HCP结构，增幅高达24.3%。引入孪晶区可以稳定塑性变形，尽管峰值应力降低有限。因此，在hcp启发的超材料中复制孪生冶金机制被证明是成功的，进一步验证了在不同尺度上模仿和转移原子现象以定制建筑材料性能的方法。

研究亮点

结论

本研究的灵感来自于具有六边形密排结构的延展性金属的压缩行为，它们经历了冶金孪晶现象。它提出了一种基于HCP单元细胞的新型建筑材料，并通过在更高尺度上引入这种孪生现象对其进行了修改。对于Ti和Zr韧性金属，孪晶机制通过塑性变形来适应压缩载荷。在均匀的HCP晶格内引入孪晶区可以稳定变形行为，并在不过度影响机械性能的情况下将能量吸收能力提高到24.3%。在本研究中，研究了HCP晶格，但所提出的方法可以扩展到其他单元电池，如BCC单元电池，因为它通常被认为与TPU等材料结合用于吸能应用[75]。BCC的堆积密度低于FCC和HCP;因此，它不太容易发生滑移变形机制，并且具有几种孪生机制，可以通过采用本文中描述的相同设计方法来复制。本文的研究可以通过考虑其他基于载荷条件的孪生平面来扩展。此外，考虑到作为灵感的延展性金属作为基础材料，重复研究可能会很有趣。该研究的一个局限性在于，在生成孪生结构的数字模型时，需要进行大量的手动调整，特别是在保证节点连通性方面。在未来，实施更多的自动化程序可以简化这些孪生区域的生成，提高建模的效率和准确性。

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拓扑优化创新设计

拓扑优化是一种工程设计方法，通过重新排列材料的形状和位置，来实现结构更轻、更强、更稳定的目的。这种方法可以减少材料使用，提高结构性能，广泛应用于航空航天、汽车和建筑设计等领域。

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