基于增材制造技術(shù)的自修復(fù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及修復(fù)性能研究

張鎮(zhèn) 郭策 胡財(cái)吉 鄭威

摘要：以輕質(zhì)夾芯板類結(jié)構(gòu)件為主要研究對(duì)象，根據(jù)結(jié)構(gòu)的斷裂破壞形式，開展了結(jié)構(gòu)自修復(fù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法的研究。通過增材制造技術(shù)完成結(jié)構(gòu)樣件的制備，并進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比分析了修復(fù)后結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的恢復(fù)效果。研究結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的夾芯板自修復(fù)結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋具有較好的修復(fù)能力，修復(fù)后結(jié)構(gòu)的抗壓力學(xué)性能恢復(fù)到原結(jié)構(gòu)的85.6％。

關(guān)鍵詞：鞘翅；輕質(zhì)結(jié)構(gòu)；自修復(fù)；增材制造；裂紋

中圖分類號(hào)：TB17

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.01.014

Research on Self-repairing Structure Design and Repair Performance

Based on Additive Manufacturing Technology

ZHANG Zhen GUO Ce HU Caiji ZHENG Wei

College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and

Astronautics，Nanjing，210016

Abstract： Taking lightweight sandwich plate structures as the main research object， the self-repairing design and implementation method were studied according to the fracture failure forms of the structures. The structural samples were prepared by additive manufacturing technology， and the restoration effect of the repaired structural mechanics properties was compared and analyzed through experimental tests. The results show that the designed sandwich plate self-repairing structure has a good ability to repair cracks， and the stress resistance of the repaired structure is restoreds to 85.6% of the original structures.

Key words： elytra; lightweight structure; self-repairing; additive manufacturing; crack

0 引言

自然界生物為了適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)殘酷的生存環(huán)境，在時(shí)間長(zhǎng)河中不斷進(jìn)化，形成了獨(dú)特的生物結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的性能。如甲蟲的鞘翅就是經(jīng)歷上億年進(jìn)化后的產(chǎn)物，它覆蓋在膜質(zhì)的后翅腹部上，主要用于保護(hù)飛行翅和維持飛行中的平衡等。它因具有高強(qiáng)高韌、各向異性和良好的力學(xué)性能等特點(diǎn)，已成為航空航天領(lǐng)域輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理想仿生對(duì)象［1-2］。楊志賢等［3］研究了甲蟲鞘翅的斷面結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)鞘翅由背、腹壁層和中空夾芯層構(gòu)成，背、腹壁層之間由橋墩狀纖維組織空心柱體結(jié)構(gòu)連接，這樣的結(jié)構(gòu)形式使其具有優(yōu)異的力學(xué)性能；周怡等［4］根據(jù)甲蟲鞘翅微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出具有層狀纖維纏繞方式的仿生輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過與無(wú)纖維纏繞的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)分析對(duì)比，得出有纖維纏繞的仿生輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能更加優(yōu)異的結(jié)論。

隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，航空航天等眾多領(lǐng)域?qū)Σ牧辖Y(jié)構(gòu)［5］的要求也越來(lái)越高，即便是輕質(zhì)高強(qiáng)韌材料在使用過程中也不可避免地會(huì)產(chǎn)生損傷和裂紋［6］，并由此引發(fā)宏觀裂縫進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂。為了確保結(jié)構(gòu)材料在力學(xué)性能、成本效益和安全可靠性方面達(dá)到最大效能，要求結(jié)構(gòu)中的裂紋必須及時(shí)被發(fā)現(xiàn)并盡可能修復(fù)。而裂紋的修復(fù)工作是困難的，過程也比較復(fù)雜［7］。由此，自愈技術(shù)的概念便被提出來(lái)，以尋找可能的解決方案。DAVAMI等［8］設(shè)計(jì)了一種新型仿仙人掌科植物的自修復(fù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)為由垂直肋組成的單元格，將未固化的樹脂充當(dāng)自修復(fù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的愈合劑并封存于單元格中，當(dāng)單元格破裂時(shí)釋放愈合劑，在固化光作用下完成自我修復(fù)； HONE等［9］從植物的莖中汲取靈感，設(shè)計(jì)了一種圓柱體結(jié)構(gòu)，其中包含細(xì)胞結(jié)構(gòu)和用于輸送治愈劑的縱向血管通道，通過細(xì)胞壁的變形和斷裂，將愈合劑引入血管通道，使破裂的細(xì)胞壁得到修復(fù)；GUADAGNO等［10］研究了自愈合聚合物復(fù)合材料，該材料包含微囊化愈合劑和嵌入催化劑，在微膠囊中引入微裂紋后，通過毛細(xì)管作用釋放愈合劑填充裂紋面，當(dāng)愈合劑與催化劑接觸聚合時(shí)，將裂縫面黏結(jié)在一起，從而實(shí)現(xiàn)愈合；LI 等［11］利用默里定律設(shè)計(jì)了基于膠凝材料的自愈合三維血管結(jié)構(gòu)，在血管系統(tǒng)的空心通道或相互連接的網(wǎng)管中包含治療劑，并通過3D打印完成結(jié)構(gòu)的制備；沈令斌［12］研究了基于智能結(jié)構(gòu)仿生自修復(fù)的多功能液芯光纖關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種以光固化材料為纖芯、石英材料為包層、聚合物光纖作為光窗的特殊結(jié)構(gòu)液芯光纖，將其埋入復(fù)合材料板中，當(dāng)復(fù)合材料板彎曲出現(xiàn)裂紋時(shí)，液芯光纖能夠及時(shí)釋放修復(fù)劑，在修復(fù)光源的輻射下完成自修復(fù)；LI等［13］研究了基于管網(wǎng)載體的樹脂基復(fù)合材料的光自愈現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了基于外部損傷的自愈機(jī)制的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用NSGA-Ⅱ算法對(duì)管網(wǎng)載體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，最終通過光修復(fù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該結(jié)構(gòu)存在一定的修復(fù)能力。

本文在課題組前期研究基礎(chǔ)上，以仿甲蟲鞘翅承壓板為研究對(duì)象，分析其受壓時(shí)的破壞斷裂位置和形態(tài)，并根據(jù)裂紋形態(tài)特征估算裂紋的特征尺寸和最大裂紋體積，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出用于存放修補(bǔ)液的空腔結(jié)構(gòu)并通過紫外光照射實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自修復(fù)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比分析了修復(fù)后結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，對(duì)修復(fù)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 仿生輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室前期研究可得出結(jié)論：甲蟲鞘翅內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)及生物材料的拓?fù)浞植家?guī)律與其力學(xué)性能密切相關(guān)［14］。圖1a所示為鞘翅斷面微觀結(jié)構(gòu)，鞘翅在橫向和縱向橫截面上具有相似的形態(tài)結(jié)構(gòu)，都由內(nèi)外表皮層構(gòu)成，內(nèi)表皮之下存在著由纖維層環(huán)繞的圓形或橢圓形的空腔，圓形和橢圓形空腔的平均直徑分別約為30～40 μm和80～95 μm。該結(jié)構(gòu)形態(tài)有效地減少了鞘翅的質(zhì)量，并與周圍螺旋編織纏繞的幾丁質(zhì)纖維層相互配合，能夠很好地抵抗外界沖擊帶來(lái)的損傷。以此微觀形態(tài)設(shè)計(jì)的輕質(zhì)高強(qiáng)夾芯結(jié)構(gòu)（圖1b）為連續(xù)圓形空腔結(jié)構(gòu)，由面板和空腔芯板組成，芯管空腔形狀由四段對(duì)稱圓弧面和兩段粘接平面構(gòu)成，芯管外側(cè)是將各芯管組合在一起的波紋板。

以圖1b結(jié)構(gòu)中的單層連續(xù)圓形空腔結(jié)構(gòu)為模板，經(jīng)適當(dāng)簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)了圖2所示的仿鞘翅輕質(zhì)夾芯板結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)外形尺寸為70 mm×40 mm×28 mm，夾芯板中壁厚均為4 mm。

2 自修復(fù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 自修復(fù)原理

材料結(jié)構(gòu)的自我修復(fù)主要通過物質(zhì)補(bǔ)給和能量補(bǔ)給，同時(shí)模仿生物體內(nèi)損傷愈合的原理，再利用材料的特性使材料內(nèi)部或者外部損傷能夠進(jìn)行自我修復(fù)。按照修復(fù)機(jī)理，自修復(fù)技術(shù)可分為兩大類：第一類是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在材料內(nèi)部分散地存儲(chǔ)一些功能性物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)存儲(chǔ)空間破裂時(shí)，這些物質(zhì)相互之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，完成自身能量和物質(zhì)的補(bǔ)充［17］，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的修復(fù)；第二類是通過加熱、光照等方式向材料提供能量，使其發(fā)生結(jié)晶、成膜或交聯(lián)等作用來(lái)實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。本文所選取的修復(fù)方式為光敏樹脂吸收光能實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)，如圖3所示。將設(shè)計(jì)的空腔結(jié)構(gòu)提前放置在結(jié)構(gòu)受壓斷裂處，并通過SLA（stereo lithography apparatus）光固化成形技術(shù)，將液態(tài)光敏樹脂封存在內(nèi)置空腔結(jié)構(gòu)中，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋并且經(jīng)過空腔時(shí)，液態(tài)樹脂流出，同時(shí)為其提供波長(zhǎng)為405 nm的紫外光，直至光敏樹脂固化，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自我修復(fù)。

2.2 夾芯板斷裂失效位置和形態(tài)分析

2.2.1 有限元模型的建立

分別以尺寸為2.0，1.6，1.4，1.2，1.1，1.0，0.9，0.8，0.7，0.6，0.5，0.4 mm的六面體網(wǎng)格建立該輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)的有限元模型，模型的網(wǎng)格數(shù)量分別為7080、14 525、20 387、32 742、42 846、52 200、76 005、99 500、154 686、237 984、398 320、797 800。利用有限元軟件Workbench的顯式動(dòng)力學(xué)模塊對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)量的結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓縮仿真的數(shù)值模擬。材料選用form系列中的標(biāo)準(zhǔn)樹脂，該材料的密度為1.16 g/cm3，彈性模量為1600 MPa，泊松比為0.4。結(jié)構(gòu)的失效形式為應(yīng)力應(yīng)變失效，材料的最大主切應(yīng)力分別為65 MPa和52 MPa，最大主切應(yīng)變分別為0.04和0.06。邊界條件為模型底面固定支撐，上表面中間施加向下的1 mm的位移載荷，有限元計(jì)算結(jié)果如圖4所示。網(wǎng)格單元尺寸大于0.8 mm，數(shù)量少于10萬(wàn)時(shí)仿真數(shù)值有明顯的波動(dòng)，網(wǎng)格數(shù)量逐漸大于10萬(wàn)時(shí)，計(jì)算結(jié)果趨于穩(wěn)定，約為74 MPa。因此選取穩(wěn)定后的第二個(gè)點(diǎn)作為結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，如圖5所示，即六面體網(wǎng)格尺寸為0.7 mm，網(wǎng)格數(shù)量為154 686，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為692 465。當(dāng)模型網(wǎng)格中應(yīng)力與應(yīng)變超過失效值時(shí)，形成裂紋。

2.2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果，如圖6所示，隨著壓縮位移的增大，夾芯結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在內(nèi)腔壁的四個(gè)邊角以及筋板狀連接結(jié)構(gòu)中，當(dāng)最大主應(yīng)力與應(yīng)變到達(dá)極限時(shí)，裂紋出現(xiàn)并且貫穿整個(gè)內(nèi)腔壁，如圖6d中局部放大圖所示。記錄仿真結(jié)果中各處的裂紋位置，作為后續(xù)設(shè)計(jì)封存修補(bǔ)液空腔結(jié)構(gòu)的依據(jù)。

2.3 修補(bǔ)液容積估算

2.3.1 裂尖塑性區(qū)與張開位移

在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)斷裂前，裂紋尖端存在一個(gè)塑性區(qū)，由于裂紋的存在，材料在該區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力將會(huì)出現(xiàn)集中，這種應(yīng)力集中作用導(dǎo)致材料在裂紋尖端周圍發(fā)生塑性變形［18］。塑性區(qū)的出現(xiàn)使裂尖的應(yīng)力集中情況得到緩和，塑性區(qū)的大小與材料本身的特性有關(guān)。通常情況下，材料的塑性變形能力越大同時(shí)所受應(yīng)力越大時(shí)裂尖塑性區(qū)也越大［19］，即便無(wú)塑性變形能力的脆性材料，其裂紋尖端也存在一定大小的塑性區(qū)。

裂尖張開位移是指一個(gè)理想裂紋受載時(shí)，其裂紋表面間的距離，而斷裂過程主要是由裂尖的塑性變形量控制的，裂尖張開位移可以作為塑性變形量的尺度［20］。當(dāng)裂尖張開位移達(dá)到臨界值時(shí)，對(duì)于像光敏樹脂這樣的脆性材料，裂紋將迅速向前擴(kuò)展直至貫穿，結(jié)構(gòu)發(fā)生完全斷裂，如圖7所示。

2.3.2 估算原理及計(jì)算方法

由上述分析可知，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋后，在失穩(wěn)斷裂前，裂端有相當(dāng)大的塑性區(qū)，當(dāng)裂紋頂端張開位移達(dá)到其臨界值時(shí)，裂紋將開啟裂擴(kuò)展。如圖8所示，裂紋張開位移公式為

式中，δ為裂紋張開位移；u為y方向上的位移分量；KⅠ為裂尖的應(yīng)力強(qiáng)度因子；G為剪切模量；ν為泊松比。

應(yīng)力強(qiáng)度因子是斷裂力學(xué)中表征裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的重要參數(shù)，其應(yīng)力強(qiáng)度因子越大，裂紋就越容易擴(kuò)展［22］。

裂紋擴(kuò)展時(shí)，裂紋尖端發(fā)生鈍化和張開，形成一個(gè)張開區(qū)，Irwin裂端塑性區(qū)間的尺寸r可按下式估計(jì)［23］：

式中，σs為材料屈服應(yīng)力。

根據(jù)IRWIN［23］對(duì)裂端塑性區(qū)間的修正，真正裂紋長(zhǎng)度被有效裂紋長(zhǎng)度取代，此時(shí)原點(diǎn)移到有效裂紋的端點(diǎn)。將式（3）代入式（1），可得Irwin小范圍屈服修正下的裂紋張開位移：

式中，E為彈性模量。

根據(jù)上文對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)的壓縮斷裂失效分析，可確定結(jié)構(gòu)各處裂紋的位置及方向。以結(jié)構(gòu)中的裂紋p為例，從側(cè)面將二維裂紋看作三角形，則三維空間的裂紋可看作三棱柱，如圖9所示。當(dāng)裂紋張開位移達(dá)到臨界值時(shí)，裂紋迅速貫穿，結(jié)構(gòu)完全斷裂，此時(shí)的有效裂紋寬度可看作三角形的底邊長(zhǎng)度x，內(nèi)腔壁的厚度為三角形的高（4 mm），內(nèi)腔壁長(zhǎng)度作為三棱柱的高（40 mm），以此計(jì)算三棱柱的體積，并將其作為在結(jié)構(gòu)完全斷裂時(shí)三維裂紋的最大體積，即所需填充的修補(bǔ)液容積。

以裂紋p為例，建立該裂紋的幾何模型如圖10a所示，該裂紋起點(diǎn)至終點(diǎn)連線的傾斜角度為135°。裂紋張開位移達(dá)到塑性區(qū)的臨界值時(shí)，此時(shí)的有效裂紋寬度為x。提取圖9中的兩個(gè)三角形進(jìn)行公式推導(dǎo)，圖10b所示為三角形1和三角形2，三角形1的高為r，底為δ。三角形2的高由三段組成為r+a+b，底為x。其中

兩個(gè)三角形相似可得

將式（6）代入式（7）并進(jìn)行變換可得

由此可知三角形底邊x與高度為4 mm，三棱柱高度為模型內(nèi)腔壁長(zhǎng)度，為40 mm，則該處三維裂紋的最大體積估算公式為

V=80x（9）

2.3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算

針對(duì)所提出的夾芯結(jié)構(gòu)板，利用有限元法計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度因子。根據(jù)2.2節(jié)分析得到的各個(gè)裂紋位置，依次在原結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)位置處預(yù)制微裂紋。以圖9中裂紋p為例，該處微裂紋參數(shù)如圖11a所示，此時(shí)裂紋最大張開寬度為0.2 mm。在Workbench中建立該結(jié)構(gòu)的有限元模型，并在裂紋處建立局部坐標(biāo)系，然后對(duì)整體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，特別對(duì)裂紋處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，分區(qū)數(shù)量設(shè)置為30，如圖11b所示。利用斷裂工具將裂紋設(shè)置為預(yù)網(wǎng)格裂紋，并且設(shè)置與2.2節(jié)中相同的邊界條件進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

由有限元計(jì)算結(jié)果可知，該處裂紋尖端在給定邊界條件下的應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ為29.4 MPa·mm12，將數(shù)值代入式（3）與式（4），計(jì)算得到裂尖張開位移δ與r，將δ與r再代入式（8）以及式（9），即可得到三維空間裂紋體積約為32.1 mm3。同理計(jì)算出各處的應(yīng)力強(qiáng)度因子，并代入上述公式，估算出各處裂紋的三維空間體積，從而得到各處裂紋所需修補(bǔ)液容積。

2.4 修補(bǔ)液空腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從對(duì)結(jié)構(gòu)影響最小的角度出發(fā)，同時(shí)考慮到form打印機(jī)對(duì)無(wú)支撐結(jié)構(gòu)的打印精度，本文將存儲(chǔ)修補(bǔ)液的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為能夠完成打印的最小尺寸，即直徑為2 mm的空心球體，球體體積為4.2 mm3。對(duì)于圖9中所示的結(jié)構(gòu)裂紋p，已計(jì)算得出該裂紋的體積為32.1 mm3，因此，可確定該處放置球體的數(shù)量為8，將其均勻排布在整個(gè)內(nèi)腔壁中，并沿結(jié)構(gòu)寬度方向連續(xù)排列。為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及確保液態(tài)樹脂因重力作用自上而下流進(jìn)裂紋，最終設(shè)計(jì)的空腔球體位置如圖12a所示，其位置經(jīng)過裂紋且處于內(nèi)腔壁正中間。

同理，計(jì)算出各處空心球體的數(shù)量，并設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)空心球體的幾何位置，將其均勻分布在結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔壁中，如圖12b、圖12c所示。

2.5 修補(bǔ)液空腔結(jié)構(gòu)對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)板力學(xué)性能的影響

為分析設(shè)計(jì)的空腔結(jié)構(gòu)對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)板力學(xué)性能的影響，分別對(duì)開設(shè)修補(bǔ)液空腔結(jié)構(gòu)的夾芯板和原結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元力學(xué)性能的分析與對(duì)比，利用Workbench靜力學(xué)模塊建立兩結(jié)構(gòu)的有限元模型。圖13a所示為原結(jié)構(gòu)，六面體網(wǎng)格尺寸為0.7 mm，網(wǎng)格數(shù)量為154 686，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為692 465。圖13b所示為開設(shè)修補(bǔ)液空腔結(jié)構(gòu)，模型為四面體網(wǎng)格，尺寸為0.7 mm。其中包含了1 176 846個(gè)單元，1 669 224個(gè)節(jié)點(diǎn)。邊界條件為模型底面固定支撐，上表面中間施加向下的線位移載荷，采用增加子步數(shù)逐步施加載荷，自動(dòng)載荷步長(zhǎng)的加載方法。

計(jì)算結(jié)果如圖14a與圖14b所示，原結(jié)構(gòu)與開設(shè)空腔的結(jié)構(gòu)內(nèi)腔壁的四個(gè)邊角處等效應(yīng)力最大，分別為77.509 MPa和73.131MPa。由圖14c可知，設(shè)計(jì)的空心球體在結(jié)構(gòu)中無(wú)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時(shí)由圖14d兩結(jié)構(gòu)的載荷位移曲線可見，兩結(jié)構(gòu)在初始的線彈性階段以及后續(xù)的塑性變形階段變化趨勢(shì)一致，差異性很小。由此可見開設(shè)的修補(bǔ)液空腔結(jié)構(gòu)對(duì)原結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響很小。

3 夾芯板結(jié)構(gòu)自修復(fù)性的實(shí)現(xiàn)及修復(fù)性能檢驗(yàn)

3.1 樣件制備

仿生夾芯板結(jié)構(gòu)采用光固化成形技術(shù)制備而成，該技術(shù)是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。在液槽中盛滿液態(tài)光固化樹脂，這種液態(tài)材料在一定波長(zhǎng)和強(qiáng)度的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。利用form打印機(jī)制備所設(shè)計(jì)的自修復(fù)結(jié)構(gòu)，制備時(shí)該打印機(jī)自上而下進(jìn)行打印，成形面置于液態(tài)樹脂液面下方，而樹脂下方有激光通過偏振鏡掃描液態(tài)樹脂，掃描處的樹脂會(huì)進(jìn)行固化，升降臺(tái)逐步上升，樣件逐步完成打印并從液態(tài)樹脂中出現(xiàn)，緩慢上升。打印過程中，控制成形面一直位于液面下2 mm處，確保在虹吸作用下將液態(tài)樹脂封存在空腔結(jié)構(gòu)中。通過這種方法，制備出具有自修復(fù)性能的夾芯板結(jié)構(gòu)如圖15所示，由局部放大圖可見，結(jié)構(gòu)內(nèi)布滿了球型修補(bǔ)液腔。

3.2 修復(fù)后力學(xué)性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將無(wú)修補(bǔ)液空腔的結(jié)構(gòu)試樣1放于試驗(yàn)臺(tái)中間，壓頭以2 mm/min的速度向下壓縮，如圖16a所示。當(dāng)結(jié)構(gòu)兩側(cè)內(nèi)腔壁完全斷裂失去承重能力時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)，如圖16b所示，導(dǎo)出并保存載荷與位移數(shù)據(jù)，作為原結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。

將具有自修復(fù)性能的結(jié)構(gòu)試樣2置于試驗(yàn)臺(tái)中間，實(shí)驗(yàn)步驟同上。當(dāng)壓頭不斷向下加載時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)腔壁出現(xiàn)裂紋，如圖17a所示，由局部放大圖可見，內(nèi)腔壁外側(cè)有少量液態(tài)樹脂較為均勻地溢出，最邊緣的球形空腔到內(nèi)腔壁外側(cè)的距離與球形空腔之間的距離相等，則相鄰球型空腔中的樹脂向左右兩側(cè)滲透時(shí)能夠完成交匯，而內(nèi)腔壁內(nèi)側(cè)的修補(bǔ)液在重力作用下流出，但并不均勻，球形空腔正下方的樹脂量較兩邊會(huì)多一些，最兩端邊角還會(huì)存在小部分樹脂觸及不到的區(qū)域。為避免裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，對(duì)試樣2進(jìn)行卸載，利用波長(zhǎng)為405 nm、功率為20 W的紫外光照射出現(xiàn)裂紋的結(jié)構(gòu)試樣，如圖17b所示，等待30 min后，液態(tài)樹脂完全固化，修復(fù)完成。圖17c所示為自修復(fù)后的結(jié)構(gòu)，由局部放大圖可見，裂紋被修復(fù)的外觀效果較為理想。

對(duì)修復(fù)后的試樣進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程如圖17d～圖17f所示，當(dāng)兩側(cè)內(nèi)腔壁完全斷裂、失去承壓能力時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)束的樣件進(jìn)行觀測(cè)，如圖18所示，從內(nèi)腔壁斷裂處可見多個(gè)半球形的微型凹坑，以及沒有完全溢出而被固化的液態(tài)樹脂，證明了該工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。

制備具有自修復(fù)性能的結(jié)構(gòu)試樣3和4，重復(fù)試樣2的實(shí)驗(yàn)過程。實(shí)驗(yàn)得到的載荷位移曲線如圖19所示，由圖可見，原結(jié)構(gòu)的極限載荷為16 kN，當(dāng)兩側(cè)內(nèi)腔壁完全斷裂時(shí)，承載能力下降到12 kN。而修復(fù)后的結(jié)構(gòu)試樣2、3和4在同樣的加載方式下，極限載荷分別可達(dá)到14.1 kN、13.2 kN和13.8 kN，取三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果均值為13.7 kN，約為原結(jié)構(gòu)極限載荷的85.6％，當(dāng)?shù)竭_(dá)極限載荷后，兩側(cè)內(nèi)腔壁完全斷裂，其承載能力分別降低到11.6 kN、11.2 kN和11.6 kN。由此可見，該結(jié)構(gòu)的自我修復(fù)性能較為理想。

4 結(jié)論

（1）以仿甲蟲鞘翅夾芯板結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，根據(jù)其斷裂位置和裂紋形態(tài)，提出一種新的裂紋三維空間體積估算方法，通過對(duì)裂紋尖端塑性區(qū)張開位移的計(jì)算公式進(jìn)行變換，以及裂紋強(qiáng)度因子的計(jì)算，估算出結(jié)構(gòu)中裂紋貫穿時(shí)的最大三維體積。

（2）設(shè)計(jì)了一種用于存儲(chǔ)修補(bǔ)液的空腔結(jié)構(gòu)，通過光敏樹脂3D打印技術(shù)和光固化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的自修復(fù)性能，并通過實(shí)驗(yàn)證明，該結(jié)構(gòu)在修復(fù)后抗壓性能恢復(fù)到原結(jié)構(gòu)的85.6％，達(dá)到理想的修復(fù)效果。

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