增材制造金属点阵多孔材料研究进展

金属点阵多孔材料是一种具有复杂周期性结构的先进轻质多功能材料,由于其优异的比强度、吸声、降噪以及超材料等特性,近年来备受关注。而传统的制备工艺仅可以制造类点阵结构,难以生产复杂、精细的点阵结构,成为金属点阵多孔材料进一步应用的掣肘。近年来快速发展的增材制造(Additive manufacturing,AM)技术具有设计与制造自由度大、快速制造任意复杂几何形状零件的特点,可对金属点阵多孔材料进行微观、界观和宏观尺度晶格的多种组合进行调控,是金属点阵多孔材料制备技术的前沿。然而,增材制造金属点阵多孔材料存在残余应力大、表面粗糙度高以及局部应力集中等问题,导致其压缩脆性以及疲劳强度较低。因此,除了研究增材制造工艺参数对点阵结构性能的影响外,研究者们主要从拓扑优化以及后处理方面不断进行尝试,并获得了丰硕的成果。结合拓扑优化设计,可使得应力分布更均匀,更好地服役于不同的加载环境;梯度点阵结构的压缩强度以及能量吸收是均匀点阵结构的两倍以上;通过热处理以及化学蚀刻可以降低点阵结构的残余应力和表面粗糙度,大幅提高其点阵结构的疲劳强度。通过控制单胞结构的分级孔隙度分布、合适的后处理,有望同时实现高孔隙率、高疲劳强度和高能量吸收。本文首先陈述了增材制造金属点阵多孔材料的优势和成形准则,随后介绍了单胞形状、单胞尺寸、支柱直径、体积孔隙率等因素对点阵结构尺寸精度和表面粗糙度的影响,并归纳了这些因素对点阵结构的屈服强度、能量吸收率和疲劳强度等性能的影响。此外,总结了点阵结构的拓扑优化和后处理对其性能的影响,最后介绍了增材制造金属点阵结构存在的掣肘,并展望了其未来的研究趋势。

基于SLS的尼龙点阵多孔材料力学性能

为研究不同加载速度对尼龙点阵材料力学特性的影响规律,制备了尼龙大斜方截半立方体点阵材料试样,并对其进行压缩力学试验。结果表明,当加载速率从0.02 mm/s提高到0.1 mm/s时,尼龙大斜方截半立方体点阵多孔材料的弹性模量和压缩强度均出现不同程度的下降,分别降低了31.78%和10.42%;当加载速率从0.1 mm/s提高到0.5 mm/s时,其力学性能随加载速率的提高而显著增大;其弹性模量和压缩强度分别提高到77.27 MPa(增加了82.5%)和3.79 MPa(增加了25.1%)。研究内容对于丰富点阵结构胞元构型和扩展尼龙产品的应用领域具有指导意义。

加载速率对尼龙点阵多孔材料力学性能的影响

为了研究加载速率对尼龙点阵多孔材料力学性能的影响规律,对尼龙小斜方截半立方体点阵多孔材料进行压缩力学试验和有限元仿真。结果表明,加载速率从0.02 mm/s提高到0.1 mm/s时,尼龙点阵多孔材料弹性模量和压缩强度仅提高0.3%和4%,其力学性能变化不大;当加载速率超过0.1 mm/s,其力学性能随加载速率的提高而急剧增大。当加载速率为0.5 mm/s时,其弹性模量和压缩强度分别分别增至3.25、7.98 MPa。研究内容对于优化尼龙加工工艺和丰富点阵多孔材料胞元结构具有一定的指导意义。

胞元结构对点阵多孔材料力学性能的影响

为丰富点阵多孔材料的胞元结构,提高点阵多孔材料力学性能,文中以PA12(尼龙)粉末为原料,采用激光粉末烧结(SLS)技术制备了正立方体、小斜方截半立方体和大斜方截半立方体3种晶胞单元结构的尼龙点阵多孔材料试样,并通过准静态压缩试验获得了3种不同胞元结构的尼龙点阵多孔材料的工程应力应变数据。结果表明,胞元结构对尼龙点阵多孔材料的压缩强度、弹性模量等力学性能影响较大;小斜方截半立方体尼龙点阵多孔材料在3种胞元结构中表现出最优的力学性能。最后,通过扫描电镜对断口形貌进行观察与分析,发现尼龙点阵多孔材料的加工缺陷会影响其力学性能;准静态压缩的尼龙点阵多孔材料其断裂模式为韧性断裂,与试验结果一致。