異質(zhì)異構(gòu)仿生貝殼復(fù)合材料

趙 甫，史金飛，許有熊，平冠群

（1. 南京工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；2. 南京工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

目前，傳統(tǒng)方法制造出的勻質(zhì)金屬材料強(qiáng)度很難進(jìn)一步提高.因此，研發(fā)新型金屬材料結(jié)構(gòu)己經(jīng)迫在眉睫.貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)具有多尺度、多級(jí)次“磚-泥”組裝等特點(diǎn)，強(qiáng)度高，成為制備輕質(zhì)高強(qiáng)度復(fù)合材料的典型結(jié)構(gòu).

國外學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，仿生貝殼結(jié)構(gòu)在提高材料強(qiáng)度方面具有極大優(yōu)勢(shì)[1-4].PHUONG T等[5]對(duì)仿生結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，與原硬質(zhì)材料相比，仿生材料復(fù)合材料強(qiáng)度有所提高.NOBPHADON S等[6]指出貝殼珍珠層由體積分?jǐn)?shù)約為95%的無機(jī)物和體積分?jǐn)?shù)約為5%的有機(jī)物組成，復(fù)合材料的強(qiáng)度較高.侯祥龍[7]對(duì)貝殼進(jìn)行了帶裂紋的3點(diǎn)彎測(cè)試，更為精確地分析了貝殼外在增韌機(jī)理.陳思銘[8]研究發(fā)現(xiàn)，貝殼珍珠層憑借著其多尺度高度有序的“磚-泥”層狀結(jié)構(gòu)，能將脆弱的陶瓷和柔軟的高分子組裝集成為強(qiáng)、韌、硬的先進(jìn)納米復(fù)合材料.

學(xué)者對(duì)仿生貝殼的研究集中在單一材料或者屬性較為相近材料，材料屬性相差較大的兩種材料的研究相對(duì)較少.依據(jù)貝殼珍珠層的結(jié)構(gòu)原理，“磚”采用金屬材料，“泥”采用非金屬材料，研發(fā)“磚和“泥”結(jié)合的復(fù)合材料.嘗試采用3D金屬打印制作“磚”結(jié)構(gòu)，形成仿生貝殼珍珠層的文石層結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)有限元仿真分析.再制備多層金屬框架，填充高韌非金屬材料，形成金屬-非金屬的仿生貝殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，并對(duì)樣件進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，研究樣件的力學(xué)性能.

1 多層金屬框架結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

1.1 貝殼珍珠層微觀結(jié)構(gòu)宏觀簡化

貝殼結(jié)構(gòu)有3層組織結(jié)構(gòu)，見圖1.外層主要成分為有機(jī)質(zhì)角質(zhì)層，作用是防止外界對(duì)基體的腐蝕；中間層主要成分為方解石的棱柱層，強(qiáng)度很高；內(nèi)層為珍珠層，包含2種結(jié)構(gòu)，見圖2，由文石片鑲嵌在有機(jī)物質(zhì)中構(gòu)成，具有比強(qiáng)度高的力學(xué)性能[9-12].

圖1 貝殼結(jié)構(gòu)Fig.1 shell structure

圖2 珍珠層結(jié)構(gòu)Fig.2 nacre structure

仿生貝殼結(jié)構(gòu)是通過模仿自然界中貝殼珍珠層的結(jié)構(gòu)得到，由硬質(zhì)相和軟質(zhì)相組成的“磚-泥”交錯(cuò)疊層結(jié)構(gòu)[13-15].

根據(jù)研究目標(biāo)，結(jié)合3D金屬打印機(jī)的打印精度和打印參數(shù)，通過對(duì)貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系、構(gòu)成機(jī)理進(jìn)行分析，運(yùn)用仿生設(shè)計(jì)方法，對(duì)貝殼珍珠層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行宏觀仿生.貝殼珍珠層宏觀簡化的規(guī)則如下.

（1）鑒于現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，黏土磚長寬高為分別為 240 mm、115 mm、53 mm.綜合考慮貝殼珍珠層的結(jié)構(gòu)以及支撐體的排列分布，將金屬材料的“磚”結(jié)構(gòu)簡化為規(guī)則的長方體，長寬高尺寸比為9 5 2∶∶.

（2）同一硬質(zhì)層內(nèi)，在長和寬方向磚與磚按等間距排列，且間距滿足目前3D打印技術(shù)的最小打印尺度（0.8 mm）.磚與磚的間隙用非金屬材料填充.

（3）磚層（也稱為硬層）之間，磚塊按照相互錯(cuò)開的形式排布，實(shí)現(xiàn)受力均勻.

（4）硬層之間為一層軟層，軟層厚度滿足現(xiàn)有3D打印技術(shù)的最小打印尺度.且為保證硬層與硬層之間的支撐，需要在軟層中按一定規(guī)則均勻布置支撐體.軟層用非金屬材料填充.

1.2 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

（1）基于SLM的多層框架支撐體設(shè)計(jì)

根據(jù)貝殼珍珠層的結(jié)構(gòu)原理，“磚”四周包裹著“泥”，“磚”是離散、不連續(xù)的，不能通過3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn).因此，需要將同一硬質(zhì)層間的“磚”相互構(gòu)連、硬層與硬層也要相互構(gòu)連，最終形成一個(gè)各“磚”相互構(gòu)連的多層金屬框架.依據(jù)貝殼珍珠層的結(jié)構(gòu)原理，各“磚”之間的相互部分要盡可能小，但對(duì)于3D金屬打印而言，各“磚”之間的連接部分少，會(huì)導(dǎo)致“磚”的塌陷以及堵道.因此，合理設(shè)計(jì)各“磚”之間的連接部分，同時(shí)滿足貝殼珍珠層的結(jié)構(gòu)原理和3D打印的工藝要求是多層金屬框架設(shè)計(jì)的難點(diǎn).

目前，激光選區(qū)融化（SLM）是金屬材料增材制造中的一種主要技術(shù)途徑.該技術(shù)選用激光作為能量源，按照三維CAD 切片模型中規(guī)劃好的路徑，在金屬粉末床層進(jìn)行逐層掃描，掃描過的金屬粉末通過熔化、凝固從而達(dá)到冶金結(jié)合的效果，最終獲得模型所設(shè)計(jì)的金屬零件.SLM技術(shù)克服了傳統(tǒng)技術(shù)的缺點(diǎn)，能制造具有復(fù)雜形狀、致密度高且力學(xué)性能良好的金屬零件.

根據(jù)所選用3D打印機(jī)的工作原理、最小打印尺度和貝殼珍珠層的結(jié)構(gòu)原理，為避免多層金屬框架的塌陷以及堵道，硬層與硬層之間的高度，即軟層支撐體高度設(shè)計(jì)為1.5 mm，間隙為1 mm.同時(shí)考慮常規(guī)的支撐體可以為圓柱體和長方體，由于很難通過理論計(jì)算等方式來判斷多層金屬框架采用哪種支撐體較為合理，因此，設(shè)計(jì)3種硬層之間的支撐方式，即為：圓柱體支撐、長方體支撐和長方體圓柱體混合支撐，見圖3，并通過后續(xù)有限元仿真分析來選擇合理的支撐方式.

圖3 不同支撐方式Fig.3 different supporting methods

（2）磚層與磚層結(jié)構(gòu)方式設(shè)計(jì)

根據(jù)“磚”的長寬高比和支撐體尺寸，設(shè)計(jì)多層金屬框架的“磚”尺寸為9 mm×5 mm×2 mm，磚與磚之間的間隙均為1 mm，且磚與磚在頂角處相互固連，見圖4.

圖4 同層磚排列方式Fig.4 arrangement mode of the same layer brick

為滿足磚層（也稱為硬層）之間，磚塊按照中心錯(cuò)開的排布，使受力均勻，承載能力提高，設(shè)計(jì)磚層與磚層之間結(jié)構(gòu)方式為層層交錯(cuò)與層層平移.層層交錯(cuò)指上層的“磚”與下層“磚”排列相互垂直，見圖5.

圖5 層層交錯(cuò)結(jié)構(gòu)Fig.5 interleaved structure of layer upon layer

層層平移指上層的“磚”與下層“磚”排列相互平行，但長度和寬度方向各平移一定尺寸，見圖6.層間相互平移時(shí)，要避免軟層支撐體處在硬層磚間的間隙處，避免形成奇異點(diǎn)，從而避免引起3D打印出錯(cuò).通過對(duì)支持體的排列要求和磚結(jié)構(gòu)尺寸的幾何分析，計(jì)算出層層平移時(shí)，長度和寬度方向各平移尺寸均為4 mm.同樣，由于很難通過理論計(jì)算等方式來判斷磚層的結(jié)構(gòu)方式的合理性，只能通過有限元仿真進(jìn)行分析.

圖6 層層平移結(jié)構(gòu)Fig.6 translation structure of layer upon layer

（3）多層金屬框架不同結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

通過上述對(duì)支撐體和層間結(jié)構(gòu)方式的研究，設(shè)計(jì)6種多層金屬框架結(jié)構(gòu)模型.相對(duì)于試驗(yàn)，有限元仿真分析成本低，計(jì)算周期短，結(jié)果信息全面，設(shè)計(jì)模型總體尺寸為29 mm×29 mm×19.5 mm.

①層層交錯(cuò)圓柱體支撐.將上一層旋轉(zhuǎn)90°，得到下一層，層間支撐方式為圓柱體支撐，以此方法層層疊加，即為層層交錯(cuò)-圓柱體支撐結(jié)構(gòu)模型，見圖7.

圖7 層層交錯(cuò)圓柱體支撐Fig.7 layer upon layer straggered cylinder support

②層層交錯(cuò)長方體支撐.方法同層層交錯(cuò)圓柱體支撐，層間支撐方式變?yōu)殚L方體支撐，即為層層交錯(cuò)長方體支撐結(jié)構(gòu)模型，見圖8.

圖8 層層交錯(cuò)長方體支撐Fig.8 layer upon layer straggered cuboid support

③層層交錯(cuò)長方體圓柱體混合支撐.方法同層層交錯(cuò)長方體支撐，層間支撐方式變?yōu)榛旌现危礊閷訉咏诲e(cuò)長方體圓柱體混合支撐結(jié)構(gòu)模型，見圖9.

圖9 層層交錯(cuò)混合體支撐Fig.9 layer upon layer staggered compound body support

④層層平移圓柱體支撐.將上一層先向右移動(dòng) 4 mm，再向下移動(dòng)4 mm，得到下一層，且層間支撐方式為圓柱體支撐，以此方法層層疊加即為層層平移結(jié)構(gòu)，見圖10.

圖10 層層平移圓柱體支撐Fig.10 layer upon layer translation cylinder support

⑤層層平移長方體支撐.方法同層層平移圓柱體支撐，層間支撐方式變?yōu)闉殚L方體支撐，即為層層平移長方體支撐結(jié)構(gòu)模型，見圖11.

圖11 層層平移長方體支撐Fig.11 layer upon layer translationcuboid support

⑥層層平移長方體圓柱體混合支撐.將上一層先向右移動(dòng)4 mm再向下移動(dòng)4 mm，得到下一層，以此方法層層疊加，即為層層平移長方體圓柱體混合支撐結(jié)構(gòu)模型，見圖12.

圖12 層層平移混合體支撐Fig.12 layer upon layer translation compound body support

2 多層金屬框架結(jié)構(gòu)模型

為探索所設(shè)計(jì)的多層金屬框架模型及其填充復(fù)合體的整體力學(xué)性能，合理地優(yōu)化框架內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行基于有限元仿真（ANSYS）軟件的靜力學(xué)仿真分析.采用的金屬材料為SUS316不銹鋼材料，其密度為7 930 kg/m3，彈性模量為216.812 GPa，泊松比為0.294.

2.1 有限元仿真模型的搭建

（1）網(wǎng)格劃分

將所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分.三角形網(wǎng)格比矩形網(wǎng)格計(jì)算速度快，邊界擬合程度好，故采用三角形網(wǎng)格對(duì)多層金屬框架進(jìn)行網(wǎng)格劃分.結(jié)合計(jì)算精度和計(jì)算速度，根據(jù)多層金屬框架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用“磚”粗支撐體的混合網(wǎng)格劃分，以形成綜合效果較好的有限元仿真模型，見圖13（a）.

（2）約束與載荷設(shè)置

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，模擬時(shí)將模型底部設(shè)置為固定，見圖13（b），依據(jù)不銹鋼材料屬性計(jì)算出受力面最大承受力為437.32 kN，因此在頂部施加400 kN靜態(tài)均布載荷，見圖13（c）.

圖13 有限元模型Fig.13 finite element model

（3）仿真結(jié)果

對(duì)已完成的有限元仿真模型，進(jìn)行求解，得到模型的有效應(yīng)變和有效應(yīng)力，見圖14.

圖14 模型計(jì)算結(jié)果Fig.14 calculation results of model

2.2 靜力學(xué)仿真分析

靜力學(xué)仿真分析主要是針對(duì)單一金屬實(shí)體設(shè)計(jì)的多層金屬框架模型和多層金屬框架的填充復(fù)合體.計(jì)算在固定不變載荷作用下12個(gè)模型以及實(shí)體的變形、應(yīng)力和應(yīng)變，對(duì)比確定出最優(yōu)設(shè)計(jì)模型.將最優(yōu)模型與實(shí)體相比較，得出其優(yōu)異性.仿真結(jié)果見圖15、圖16和表1.與實(shí)體相比，得出設(shè)計(jì)最優(yōu)模型的優(yōu)異特性.

表1 靜力學(xué)仿真數(shù)據(jù)Tab.1 dtatics simulation datas

圖15 層層平移復(fù)合長方體仿真結(jié)果Fig.15 simulation results of layer upon layer translation composite cuboid

圖16 實(shí)體仿真結(jié)果Fig.16 physical simulation results

由表1可知，支撐體是影響框架模型力學(xué)性能的主要因素.相同結(jié)構(gòu)下、不同支撐時(shí)，長方體的支撐在力學(xué)性能上要更優(yōu).相同支撐時(shí)，層層平移結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能優(yōu)于層層交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能.

3 多層金屬框架模型的3D打印技術(shù)

SUS316不銹鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，力學(xué)性能和耐腐蝕性能好，適合多間隙鏤空的多層金屬框架，故用其作為金屬材料.按照支撐體尺寸和工藝參數(shù)，將零件三維模型進(jìn)行切片分層，獲得各截面的輪廓數(shù)據(jù)后，利用高能量激光束根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)逐層選擇性地熔化金屬粉末，通過逐層鋪粉，逐層熔化凝固堆積的方式，制造實(shí)體零件，見圖17.

圖17 3D打印實(shí)物Fig.17 3D printed object

4 非金屬材料填充金屬框架填充

4.1 非金屬材料選擇

環(huán)氧樹脂是一類黏結(jié)好、強(qiáng)度高的熱固性高分子合成材料，固化方便、黏附力強(qiáng)、收縮性低、化學(xué)性能穩(wěn)定，故選用環(huán)氧樹脂作為非金屬填充材料，其密度為2 000 kg/m3，彈性模量為1.000 GPa，泊松比為0.380.

4.2 填充工藝研究

（1）填充方法

時(shí)間-壓力型點(diǎn)膠是目前應(yīng)用最廣泛的點(diǎn)膠方式，操作方法簡單，成本低廉.根據(jù)多層鏤空金屬框架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用時(shí)間-壓力型點(diǎn)膠方法進(jìn)行非金屬填充.

（2）多層金屬框架的填充過程

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)，初步確定點(diǎn)膠速度為5 mm/s，氣壓為0.5 MPa.填充工藝流程如下：① 將多層金屬框架固定，打開氣壓，在膠管內(nèi)灌入膠水，固定膠管高度.② 設(shè)定點(diǎn)膠速度和氣體壓力等參數(shù)，進(jìn)行點(diǎn)膠，點(diǎn)膠結(jié)束后，再進(jìn)行固化工藝.

4.3 固化工藝研究

（1）固化時(shí)間和固化質(zhì)量的影響因素

試驗(yàn)得出環(huán)氧樹脂固化時(shí)間與溫度的關(guān)系，見表2，隨著溫度升高，環(huán)氧樹脂硬度逐漸降低，固化時(shí)間逐漸減小.溫度過低會(huì)產(chǎn)生氣泡，因此，最佳的固化溫度一般選60 ℃～80 ℃.

表2 固化時(shí)間與溫度的關(guān)系Tab.2 relationship between curing time and temperature

（2）非金屬材料的固化工藝

根據(jù)表2，固化溫度選為62 ℃，為了去除在固化時(shí)產(chǎn)生的氣泡，選用真空烘箱作為固化設(shè)備.固化實(shí)物見圖18.

圖18 固化后的實(shí)物Fig.18 actual product after curing

5 多層金屬框架模型的壓縮試驗(yàn)分析

為研究多層金屬框架模型的力學(xué)性能，采用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)長寬高尺寸為29 mm、29 mm、19.5 mm的試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn).采用XBD5205微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，以1 kN/min的速率對(duì)單一的金屬實(shí)體、層層平移長方體，以及層層平移復(fù)合長方體進(jìn)行壓縮，最大試驗(yàn)載荷為100 kN，得到的應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系見圖19.

圖19 應(yīng)力-應(yīng)變Fig.19 stress-strain

由圖19可知，層層平移復(fù)合長方體應(yīng)變?cè)?%時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)；層層平移長方體應(yīng)力在應(yīng)變?yōu)?～1%、1%～8%分別以38、68的斜率增長；單一金屬實(shí)體應(yīng)力在應(yīng)變?yōu)?～2%、2%～5.8%、5.8%～8%時(shí)，分別以8、40、85的斜率增長，在2%、5.8%應(yīng)變處出現(xiàn)拐點(diǎn)，在應(yīng)變?yōu)?.6%時(shí)與層層平移復(fù)合長方體出現(xiàn)應(yīng)力重合點(diǎn).應(yīng)變相同且為0～2%時(shí)，層層平移復(fù)合長方體的應(yīng)力是金屬實(shí)體的9.33～11.95倍；應(yīng)變?cè)?%～5.8%應(yīng)變外，層層平移復(fù)合長方體的應(yīng)力是金屬實(shí)體的1.46～6.5倍；應(yīng)變?cè)?.8%～6.6%時(shí)，層層平移復(fù)合長方體的應(yīng)力是金屬實(shí)體的1～1.11倍.

綜上，應(yīng)變相同且小于6.6%時(shí)，層層平移復(fù)合長方體的應(yīng)力是單一金屬實(shí)體應(yīng)力的1～11.95倍，即層層平移復(fù)合長方體的抗壓強(qiáng)度大于單一金屬實(shí)體的抗壓強(qiáng)度.

6 結(jié)論

（1）當(dāng)應(yīng)變小于6.6%且相同時(shí)，單一金屬實(shí)體的變形量、應(yīng)力均大于層層平移長方體和層層平移復(fù)合長方體.層層平移復(fù)合長方體和層層平移長方體的抗壓強(qiáng)度均高于單一金屬實(shí)體.

（2）環(huán)氧樹脂的硬度、固化時(shí)間與固化溫度成反比，62℃為最佳固化溫度.