3D打印航空航天用雙梯度負(fù)泊松比超結(jié)構(gòu)，受自然啟發(fā)，更為高效

3D打印技術(shù)參考注意到，來自江蘇科技大學(xué)&加利福尼亞大學(xué)、東南大學(xué)等的研究人員計(jì)、制造并研究了一種受自然啟發(fā)的新型3D打印雙梯度鋁泡沫填充負(fù)泊松比超材料。優(yōu)化結(jié)果表明，新型梯度超材料比普通材料具有更強(qiáng)的能量吸收能力。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)異的力學(xué)性能，所開發(fā)的超結(jié)構(gòu)在交通運(yùn)輸保護(hù)、軍事防護(hù)工程、載人航天器緩沖和吸能箱等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118482

機(jī)械超材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高且能量吸收能力出色，能明顯提高飛機(jī)起落架穩(wěn)定性和飛行安全性，在航空航天領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景和重要價(jià)值。這類材料通過融合仿生設(shè)計(jì)理念與先進(jìn)制造方式，可構(gòu)建兼具優(yōu)異綜合力學(xué)性能與特定功能的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能遠(yuǎn)超同等密度的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料，從而更好滿足特殊工況下的應(yīng)用需求

負(fù)泊松比（NPR）超材料作為機(jī)械超材料的一種，具有獨(dú)特的拉伸膨脹力學(xué)性能和優(yōu)異的剪切特性、抗凹痕性、電化學(xué)可重構(gòu)性、能量吸收和振動(dòng)傳遞等設(shè)計(jì)性。此外，泡沫金屬材料填充負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)可以顯著提高能量吸收效率，進(jìn)一步改善結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷下的性能。

四種受自然界啟發(fā)的分級(jí)超材料：（A）受蝴蝶啟發(fā)的超輕架構(gòu)元結(jié)構(gòu)；（B）功能梯度鋁泡沫；（C）昆蟲角質(zhì)層；D）分級(jí)晶格機(jī)械超材料與人類肌腱及蠶絲蛋白仿生結(jié)構(gòu)

目前關(guān)于NPR材料與鋁泡沫材料的研究，已取得了顯著進(jìn)展。然而，將兩者結(jié)合，特別是設(shè)計(jì)成具有雙梯度特性的復(fù)合結(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)研究其機(jī)械性能和能量吸收特性的工作尚不多見。以往的研究多集中在二維、均質(zhì)結(jié)構(gòu)形式上，對(duì)三維梯度管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)探索及其應(yīng)用研究相對(duì)較少。

除此之外，鋁泡沫多被當(dāng)作均質(zhì)夾層板或薄壁殼結(jié)構(gòu)的填充料，而對(duì)管狀梯度鋁泡沫的探究也偏少。許多生物經(jīng)歷了幾十億年的演化，已經(jīng)形成了跟特定環(huán)境相適配的高效功能結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)可能密度極低但強(qiáng)度卻很高。

本研究創(chuàng)新性地研究了雙梯度鋁泡沫填充負(fù)泊松比超材料的機(jī)械性能和能量吸收特性，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白。研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析的方法，系統(tǒng)地探討了梯度方向、梯度指數(shù)及組合類型對(duì)雙梯度鋁泡沫填充NPR超結(jié)構(gòu)失效模式、變形特性及耐撞性的影響。這一研究不但拓展了NPR材料和鋁泡沫材料的應(yīng)用領(lǐng)域，還對(duì)輕量化、高吸能、耐撞性工程組件的設(shè)計(jì)，提供了新的思路與方法。

典型雙梯度超結(jié)構(gòu)管的示意圖說明：(a) 功能梯度負(fù)泊松比（NPR）管設(shè)計(jì)概念的形成；(b) 梯度鋁泡沫填充的梯度NPR管設(shè)計(jì)；(c) 上升NPR超材料梯度模式的分布；(d) 下降NPR超材料梯度模式的分布；(e) 典型均勻NPR單元胞的示意圖

研究人員精心設(shè)計(jì)了一種具有雙梯度特性的負(fù)泊松比（NPR）管狀超材料。該設(shè)計(jì)在水平方向和垂直方向上巧妙分布了不同數(shù)量的NPR單元，從而形成了獨(dú)特的梯度結(jié)構(gòu)。這種梯度設(shè)計(jì)不僅增強(qiáng)了材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還賦予了其更優(yōu)越的機(jī)械性能。為了制造這一創(chuàng)新材料，研究團(tuán)隊(duì)采用了選擇性激光熔化（SLM）3D打印技術(shù)，該技術(shù)能夠精確控制材料的形狀和結(jié)構(gòu)，確保了設(shè)計(jì)特性的實(shí)現(xiàn)。

在制造過程中，研究人員首先利用EOS M290和6061鋁合金粉末3D打印制備了梯度NPR管狀結(jié)構(gòu)，然后通過線切割技術(shù)制作出梯度泡沫鋁芯。隨后，將梯度泡沫鋁芯填充至3D打印成型的梯度NPR管狀結(jié)構(gòu)中，形成完整的雙梯度泡沫鋁填充NPR管狀結(jié)構(gòu)。這種制造方式把增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)材料加工工藝相結(jié)合，可讓材料在結(jié)構(gòu)上精準(zhǔn)適配，在性能上協(xié)同提高。最終的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析顯示，該材料在機(jī)械性能和能量吸收方面表現(xiàn)優(yōu)異。

用于測試的分級(jí)鋁泡沫制造、分級(jí)NPR管和鋁泡沫填充的雙級(jí)混合型元結(jié)構(gòu)示意圖

在軸向壓縮測試過程中，觀察到了填充超材料結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（DGAT）的一系列獨(dú)特變形和失效模式。當(dāng)施加軸向載荷時(shí)，DGAT結(jié)構(gòu)首先表現(xiàn)出持續(xù)的彈性變形，隨后隨著載荷的增加，開始出現(xiàn)局部屈曲和徑向收縮現(xiàn)象。特別值得留意的是，當(dāng)NPR管與鋁泡沫芯部以相反梯度方向組合時(shí)，它們之間的相互作用更加突出，從而達(dá)到了更高的能量吸收能力。

(a) 復(fù)合超結(jié)構(gòu)的壓縮實(shí)驗(yàn)；(b) 試樣詳細(xì)尺寸及測試前后對(duì)比；(c) 3D打印啞鈴型試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(d) 泊松比計(jì)算檢測點(diǎn)的前視圖；(e) 檢測點(diǎn)的俯視圖

四種不同密度的鋁泡沫性能測試

多種不同結(jié)構(gòu)類型的變形模式

雙梯度鋁泡沫填充負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)與有限元計(jì)算變形的比較

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同梯度組合和方向?qū)GAT結(jié)構(gòu)的變形模式和能量吸收能力具有重要影響。相反梯度方向的組合能夠更有效地激發(fā)NPR外殼與梯度芯部之間的相互作用，從而提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和能量吸收能力。除此之外，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)DGAT結(jié)構(gòu)的能量吸收能力顯著高于單獨(dú)的梯度NPR管或梯度鋁泡沫芯部，這證明了雙梯度設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。通過多目標(biāo)優(yōu)化，研究人員確定了最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，使DGAT結(jié)構(gòu)的能量吸收能力顯著提升。

單位體積能量吸收與密度的Ashby圖對(duì)比

從自然界中獲得設(shè)計(jì)靈感，并借助3D打印技術(shù)去實(shí)現(xiàn)，給當(dāng)前高端領(lǐng)域制造帶來了新的提升產(chǎn)品性能的空間。本文所開發(fā)的雙梯度負(fù)泊松比超材料，就具有多種高性能的組合特點(diǎn)，如高強(qiáng)度、高能量吸收能力以及輕量化，因此在航天器緩沖部件制造方面具有重要潛力。

總的來說， 本研究開發(fā)的DGAT結(jié)構(gòu)在包括交通運(yùn)輸保護(hù)、軍事防護(hù)工程、載人航天器緩沖吸能系統(tǒng)等在內(nèi)的多領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。筆者觀察到，目前3D打印的晶格結(jié)構(gòu)已經(jīng)大量使用，而多類型晶格結(jié)構(gòu)的復(fù)合應(yīng)用，正是在朝著超材料技術(shù)應(yīng)用的方向邁進(jìn)。

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