胞元結(jié)構(gòu)對點(diǎn)陣多孔材料力學(xué)性能的影響

文周　李明

摘要：為豐富點(diǎn)陣多孔材料的胞元結(jié)構(gòu)，提高點(diǎn)陣多孔材料力學(xué)性能，文中以PA12（尼龍）粉末為原料，采用激光粉末燒結(jié)（SLS）技術(shù)制備了正立方體、小斜方截半立方體和大斜方截半立方體3種晶胞單元結(jié)構(gòu)的尼龍點(diǎn)陣多孔材料試樣，并通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)獲得了3種不同胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點(diǎn)陣多孔材料的工程應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，胞元結(jié)構(gòu)對尼龍點(diǎn)陣多孔材料的壓縮強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能影響較大;小斜方截半立方體尼龍點(diǎn)陣多孔材料在3種胞元結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出最優(yōu)的力學(xué)性能。最后，通過掃描電鏡對斷口形貌進(jìn)行觀察與分析，發(fā)現(xiàn)尼龍點(diǎn)陣多孔材料的加工缺陷會影響其力學(xué)性能;準(zhǔn)靜態(tài)壓縮的尼龍點(diǎn)陣多孔材料其斷裂模式為韌性斷裂，與試驗(yàn)結(jié)果一致。

關(guān)鍵詞：選擇性激光燒結(jié);胞元結(jié)構(gòu);點(diǎn)陣多孔材料;尼龍;力學(xué)性能

中圖分類號：TH 145文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2022）02-0356-06

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0221開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Effects of unit structures on mechanical

properties of porous lattice materialsWEN Zhou LI Ming

（1.College of Mechanical and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.College of? Sciences，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）Abstract：In order to enrich the unit structures of lattice materials and to improve the mechanical properties of lattice materials，with the PA12（nylon）powder as raw material，selective laser sintering（SLS）technique was used to prepare the cube，small rhombicuboctahedron and great rhombicuboctahedron nylon lattice material samples，and the engineering stress-strain data of nylon lattice material samples with three different unit structures were obtained by quasi-static compression tests.It is shown that the unit structure greatly influences the mechanical properties such as compressive strength and elastic modulus of nylon lattice materials.The nylon lattice material samples with a small rhombicuboctahedron unit structure? showed the best mechanical properties among all samples with three kinds of unit structures.Finally，the fracture morphology was observed and analyzed by scanning electron microscope.It was found that the machining defects of nylon lattice material had an important effect on its mechanical properties.Under quasi-static compression，the fracture mode is a ductile fracture，which is consistent with the experimental results.

Key words：selective laser sintering;unit structures;porous lattice materials;nylon;mechanical properties

0引言

點(diǎn)陣多孔結(jié)構(gòu)是一種由點(diǎn)和邊為單元按一定的空間順序排列而成的結(jié)構(gòu)。具有該結(jié)構(gòu)的材料因其質(zhì)輕、吸能效率高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)療和航空航天等領(lǐng)域[1-4]。受制于傳統(tǒng)加工工藝的局限性，點(diǎn)陣多孔材料多為正立方體、蜂窩狀結(jié)構(gòu);隨著增材制造（additive manufacturing，AM）技術(shù)的不斷發(fā)展，為設(shè)計并制造復(fù)雜的點(diǎn)陣多孔材料提供了可能[5-8]。高分子點(diǎn)陣多孔材料多采用光固化成型（stereolithography apparatus，SLA）、熔融沉積快速成型（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）和選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）等技術(shù)進(jìn)行加工[9-10]。采用FDM技術(shù)制造復(fù)雜點(diǎn)陣多孔材料需要設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)，而去除支撐結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜;SLA技術(shù)使用的原材料來源較為單一，只能使用光敏性材料; SLS技術(shù)克服了前面兩種技術(shù)的缺點(diǎn)，可用于制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高分子點(diǎn)陣材料[11-14]。

近年來已有許多學(xué)者對點(diǎn)陣多孔材料進(jìn)行了研究，但主要集中在金屬點(diǎn)陣多孔材料的研究。如：PLOCHER等通過實(shí)驗(yàn)和有限元法研究了BCC、SP和GY胞元構(gòu)成的點(diǎn)陣均質(zhì)及功能梯度材料的剛度、吸能效率等性能[15];CAO等研究了SLM制備的菱形十二面體其形狀參數(shù)對點(diǎn)陣多孔材料力學(xué)及能量吸收性能的影響[16]。尼龍材料因其較優(yōu)的耐磨性、耐腐蝕性和力學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于服飾、工程和醫(yī)療等領(lǐng)域。目前國內(nèi)外對尼龍點(diǎn)陣多孔材料力學(xué)性能的研究報道較少，彭剛等通過實(shí)驗(yàn)法對隨機(jī)多孔尼龍材料的彎曲強(qiáng)度進(jìn)行了研究[17];JIN等通過優(yōu)化胞元尺寸參數(shù)提高了BCC尼龍點(diǎn)陣多孔材料力學(xué)性能[18];NEFF等通過實(shí)驗(yàn)和有限元仿真研究了鉆石胞元尼龍點(diǎn)陣多孔材料的剛度及能量吸收性能[19];PORTER等通過實(shí)驗(yàn)和有限元仿真研究了胞元尺寸參數(shù)對BCC和VTM胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點(diǎn)陣多孔材料靜力學(xué)性能的影響[20]。

國內(nèi)外學(xué)者多關(guān)注于單一胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點(diǎn)陣多孔材料力學(xué)性能研究，而對于截半立方體等復(fù)雜胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點(diǎn)陣多孔材料的對比研究未見報道。本研究以正立方體、小斜方截半立方體、大斜方截半立方體為晶胞單元，設(shè)計點(diǎn)陣多孔結(jié)構(gòu);以尼龍12為母料，通過SLS工藝制備三種不同胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點(diǎn)陣多孔材料，對比研究胞元結(jié)構(gòu)對尼龍點(diǎn)陣多孔材料力學(xué)性能的影響。本研究對拓展點(diǎn)陣多孔結(jié)構(gòu)的晶胞單元類型和加強(qiáng)尼龍材料的實(shí)際應(yīng)用均有著積極的意義。

1試驗(yàn)部分

1.1主要原材料

PA12粉末：德固賽2 161，平均粒徑200目（75 μm），德國贏創(chuàng)工業(yè)集團(tuán)。

1.2主要設(shè)備及儀器

SLS打印設(shè)備：EOS P1103D打印機(jī)，德國EOS公司;電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)：LE 3504，力試（上海）公司;掃描電子顯微鏡（SEM）：Phenom pro，荷蘭Phenom（飛納）科學(xué)儀器公司。

1.3點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計

筆者選取正立方體、小斜方截半立方體和大斜方截半立方體3種晶胞單元結(jié)構(gòu)，設(shè)定晶胞單元的驅(qū)動尺寸分別為：邊長L₁=15.31 mm、直徑D₁=1.6 mm;正四邊形邊長L₂=6.34 mm、直徑D₂=1.82 mm;正八邊形邊長L₃=4 mm、直徑D₃=2 mm。通過調(diào)整小斜方截半立方體的正四邊形邊長L₂和大斜方截半立方體的正八邊形邊長L₃，保證3種晶胞單元結(jié)構(gòu)頂面到底面的距離均為15.31 mm;通過調(diào)整D₁，D₂，D₃的值來保證3種晶胞單元結(jié)構(gòu)的相對密度一致。3種晶胞單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。

晶胞單元沿X，Y，Z3個方向進(jìn)行陣列，陣列個數(shù)分別為4，4，4，得到點(diǎn)陣多孔結(jié)構(gòu)。以大斜方截半立方體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為例，其設(shè)計思路如圖2所示。

1.4試樣制備

試驗(yàn)試樣以PA12粉末為原料，采用EOS P110 3D打印機(jī)進(jìn)行制備，工藝參數(shù)的設(shè)置見表1。

1.5壓縮試驗(yàn)

將制備好的正立方體、小斜方截半立方體和大斜方截半立方體點(diǎn)陣多孔材料試樣按照胞元結(jié)構(gòu)類型分成3組，每組3個試樣。每組試樣均用0.02 mm/s的速率進(jìn)行壓縮，壓縮試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D695-02a進(jìn)行。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

2.1壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

按照試驗(yàn)號依次進(jìn)行3組試驗(yàn)，每組試樣均用0.02 mm/s的速率進(jìn)行壓縮。傳感器測量得到位移和力的數(shù)據(jù)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)由電腦導(dǎo)出，經(jīng)處理得到應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。將應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin 9.1中，可繪得3組試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖4所示。點(diǎn)陣多孔材料的相對密度、壓縮模量和單位體積能量吸收可根據(jù)式（1）～（3）進(jìn)行計算[21]。

式中E為壓縮模量，MPa;δ_y為應(yīng)變在0.02處所對應(yīng)的應(yīng)力，MPa;W_V為點(diǎn)陣多孔材料單位體積能量吸收，J/cm³;ε為應(yīng)變;δ（ε）為應(yīng)力，MPa;p*為相對密度;p為點(diǎn)陣多孔材料密度，g/cm³;p_s為構(gòu)成多孔材料的基材密度，g/cm³。

提取電腦存儲的力和位移數(shù)據(jù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換計算得到應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（1）可計算得到彈性模量，壓縮強(qiáng)度為應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的最大應(yīng)力值。W_V為試樣應(yīng)變在0～0.4區(qū)間內(nèi)的應(yīng)力與X軸所夾面積，可由Origin軟件分析計算得到。經(jīng)過計算得到的不同胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點(diǎn)陣多孔材料力學(xué)性能見表2。

從表2可知，尼龍點(diǎn)陣多孔材料的力學(xué)性能受胞元結(jié)構(gòu)影響較大。小斜方截半立方體具有最優(yōu)的力學(xué)性能，其壓縮強(qiáng)度、彈性模量和單位體積能量吸收均比其余2種胞元結(jié)構(gòu)高。正立方體胞元結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度、彈性模量分別比大斜方截半立方體胞元結(jié)構(gòu)高6.5%、94.8%;但其單位體積能量吸收比后者低53.9%。小斜方截半立方體具有較高的壓縮強(qiáng)度和彈性模量，是因?yàn)槠錀U長比正立方體要短，且相對另外2種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)以三角形和正方形2種幾何結(jié)構(gòu)為主，這2種結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

2.2變形模式分析

不同胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點(diǎn)陣多孔材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮變形過程由高清相機(jī)捕獲并記錄，如圖5所示。準(zhǔn)靜態(tài)壓載下的點(diǎn)陣多孔材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線與傳統(tǒng)的二維材料差異較大，如：蜂窩板等二維多孔材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線一般分為線彈性、屈服、平臺區(qū)和密實(shí)化4個階段。而點(diǎn)陣多孔材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線無明顯的4個階段，而是一條由多個波峰構(gòu)成的曲線，且波峰值隨著應(yīng)變的增大而依次遞減。隨著位移載荷的不斷增加，試樣受壓其變形逐漸增大，當(dāng)壓載超過連桿的承壓極限后，連桿被壓斷，其承受載荷轉(zhuǎn)移到其它連桿上導(dǎo)致其它連桿壓斷，而引起點(diǎn)陣多孔材料整層壓潰。尼龍點(diǎn)陣多孔材料由下往上逐層壓潰，如圖5紅色點(diǎn)畫線區(qū)域所示。由圖5（a）可知，正方體胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點(diǎn)陣多孔材料斷裂失效一般發(fā)生在豎直連桿處，主要是因其受豎直方向的壓應(yīng)力壓潰失效所致;對比圖5（b）、（c）可發(fā)現(xiàn)，小斜方截半立方體和大斜方截半立方體尼龍點(diǎn)陣多孔材料斷裂失效一般發(fā)生在水平連桿附件，這是因?yàn)槠渲饕芰樗椒较虻募羟袘?yīng)力。

2.3SEM分析

文章通過對壓潰失效的試樣斷口進(jìn)行微觀特征形貌觀察與分析，探究其失效機(jī)理。由圖4可知，不同的試樣其壓縮強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能差異較大。這是由于試樣受原材料、加工工藝等因素的影響而產(chǎn)生一些制造缺陷影響其力學(xué)性能，如圖6（a）中存在的碎片及未完全燒結(jié)的母料顆粒、圖6（c）中存在的裂紋與小孔。這些制造缺陷都可能引起尼龍點(diǎn)陣多孔材料力學(xué)性能降低，進(jìn)而引起初始壓潰失效。由圖6（b）可知，小斜方截半立方體尼龍點(diǎn)陣多孔材料斷裂面粗糙、且有細(xì)長的拉絲狀毛邊，符合點(diǎn)陣多孔材料韌性斷裂的表征特點(diǎn)。而在圖4（b）所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，3個試樣應(yīng)變均超過0.4，也表現(xiàn)出韌性特征，與圖6（b）形貌分析結(jié)果一致。

3結(jié)論

1）通過SLS工藝制備了試驗(yàn)試樣，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)胞元結(jié)構(gòu)對尼龍點(diǎn)陣多孔材料的彈性模量、壓縮強(qiáng)度和單位體積能量吸收等力學(xué)性能指標(biāo)均有較大影響。

2）小斜方截半立方體胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點(diǎn)陣多孔材料具有較優(yōu)的力學(xué)性能，其彈性模量、壓縮強(qiáng)度和單位體積能量吸收在三者中均為最大;正立方體胞元結(jié)構(gòu)的尼龍點(diǎn)陣多孔材料的彈性模量和壓縮強(qiáng)度均高于大斜方截半立方體胞元結(jié)構(gòu)，但其單位體積能量吸收低于后者。

3）通過試驗(yàn)研究和SEM觀察發(fā)現(xiàn)，尼龍點(diǎn)陣多孔材料易因原材料、加工工藝等因素的影響產(chǎn)生缺陷，引起坍塌失效;尼龍點(diǎn)陣多孔材料在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和斷面表征均表現(xiàn)出該材料的韌性斷裂特征。

4）將幾何結(jié)構(gòu)應(yīng)用于胞元結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，表明該方法對豐富胞元結(jié)構(gòu)構(gòu)型、提高點(diǎn)陣多孔材料力學(xué)性能是可行有效的。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1]孟坤.2019—2020年世界塑料工業(yè)進(jìn)展（Ⅱ）：工程塑料[J]塑料科技，2021，49（4）：1-10.MENG Kun.Progress of the worlds plastics industry in 2019—2020（Ⅱ）：Engineering plastics[J].Plastics Science and Technology，2021，49（4）：1-10.

[2]黎敏榮，薛平，賈明印，等.連續(xù)玻纖增強(qiáng)原位聚合尼龍6復(fù)合板材樹脂傳遞成型工藝及性能研究[J].塑料工業(yè)，2017，45（7）：57-60.LI Minrong，XUE Ping，JIA Mingyin，et al.Research of continuous glass fiber reinforced Nylon-6 In-situ polymerization composition resin transfer molding process and mechanical properties[J].China Plastic Industry，2017，45（7）：57-60.

[3]BARILLO D J，POZZA M，BRANDT M.A literature review of the military uses of silver-nylon dressings with emphasis on wartime operations[J].Burns，2014，40：24-29.

[4]梁永仁，吳引江，周濟(jì)，等.點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)金屬多孔材料制造技術(shù)[J].金屬功能材料，2012，19（1）：59-63.LIANG Yongren，WU Yinjiang，ZHOU Ji，et al.Manufacturing technology on porous lattice metallic materials[J].Metallic Functional Materials，2012，19（1）：59-63.

[5]宗學(xué)文，張佳亮，周升棟，等.高速高精光固化增材制造技術(shù)前沿進(jìn)展[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2021，41（1）：128-138.ZONG Xuewei，ZHANG Jialiang，ZHOU Shengdong，et al.Advance of high speed and high finish curing additive manufacturing technology[J].Journal of Xian University of Science and Technology，2021，41（1）：128-138.

[6]LEI H，LI C，MENG J，et al.Evaluation of compressive properties of SLM-fabricated multi-layer lattice structures by experimental test and μ-CT-based finite element analysis[J].Materials & Design，2019，169：115-127.

[7]CARRASCO J M，F(xiàn)RANQUELO L G，BIALASIEWICZ J T，et al.Power-electronic systems for the grid integration of renewable energy sources：a survey[J].IEEE Transactions on Industrial? Electronics，2006，53（4）：1002-1016.

[8]曲日華，王立巖，關(guān)沖，等.碳纖維增強(qiáng)尼龍66復(fù)合材料的熱性能[J].塑料，2018，47（4）：55-59.QU Rihua，WANG Liyan，GUAN Chong，et al.Thermal properties of carbon fiber reinforced nylon 66 composites[J].Plastic，2018，47（4）：55-59.

[9]SALMORIA G V，LEITE J L，VIEIRA L F，et al.Mechanical properties of PA6/PA12 blend specimens prepared by selective laser sintering[J].Polymer Testing，2012，31（3）：411-426.

[10]LIU J，GAYNOR A T，CHEN S，et al.Current and future trends in topology optimization for additive manufacturing[J].Structural and Multidisciplinary Optimization，2018，57（6）：2457-2483.

[11]AHAMID S M，CAMPOLI G，AMIN Y S，et al.Mechanical behavior of regular open-cell porous biomaterials made of diamond lattice unit cells[J].Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials，2014，34：106-115.

[12]TANG C，LIU J，YANG Y，et al.Effect of process parameters on mechanical properties of 3D printed PLA lattice structures[J].Composites Part C：Open Access，2020，3：111-125.

[13]AZZOUZ L，CHEN Y，ZARRELI M，et al.Mechanical properties of 3-D printed truss-like lattice biopolymer non-stochastic structures for sandwich panels with natural fiber composite skins[J].Composite Structures，2019，213：220-230.

[14]BEN A N，KHLIF M，HAMMAMI D，et al.Mechanical and morphological characterization of spherical cell porous structures manufactured using FDM process[J].Engineering Fracture Mechanics，2019，216（3）：145-150.

[15]PLOCHER J，PANESAR A.Effect of density and unit cell size grading on the stiffness and energy absorption of short fiber-reinforced functionally graded lattice structures[J].Additive Manufacturing，2020，7（2）：390-397.

[16]CAO X，DUAN S，LIANG J，et al.Mechanical properties of an improved 3D-printed rhombic dodecahedron stainless steel lattice structure of variable cross section[J].International Journal of Mechanical Sciences，2018，145：53-63.

[17]彭剛，晏夢雪，田小永，等，基于選區(qū)激光燒結(jié)工藝的多孔尼龍制備及性能[J].高分子材料科學(xué)與工程，2018，34（3）：145-150.PENG Gang，YAN Mengxue，TIAN Xiaoyong，et al.Preparation and properties of porous nylon based on selective laser sintering process[J].Polymer Materials Science and Engineering，2018，34（3）：145-150.

[18]JIN X，LI G X，ZHANG M.Optimal design of three-dimensional non-uniform nylon lattice structures for selective laser sintering manufacturing[J].Advances in Mechanical Engineering，2019，55（3）：2813-2822.

[19]NEFF C，HOPKISON N，CRANE N B.Experimental and analytical investigation of mechanical behavior of laser-sintered diamond-lattice structures[J].Additive Manufacturing，2018，22：807-816.

[20]PORTER D A，PRIMA M A，BADHE Y，et al.Nylon lattice design parameter effects on additively manufactured structural performance[J].Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials，2021，26（4）：1146-1153.

[21]SIMON R G，IAN R，RICHARD S，et al.3D printed polyurethane honeycombs for repeated tailored energy absorption[J].Materials and Design，2016，112：172-183.