光固化增材制造氧化鋁陶瓷點陣結構的失效行為與機理 丨AMF論文推薦

引用論文

Keqiang Zhang, Xueqin Zhang, Qiaoyu Meng, Bin Zhang, Zhaoliang Qu, Rujie He. Failure Behavior and Mechanism of Vat Photopolymerization Additively Manufactured Al2O3 Ceramic Lattice Structures. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 3, Issue 4, 2024, 200172.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200172.

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1研究背景及目的

陶瓷點陣結構具有輕量化、高承載、高吸能等特性，能夠滿足國防與工業重大裝備對耐高溫承載結構的需求。光固化增材制造技術可以實現復雜點陣結構的幾何設計要求，在制造輕量化承載點陣結構領域具有無可比擬的優勢。目前缺少增材制造陶瓷點陣結構的變形過程和失效模式的研究。因此，本文旨在研究光固化增材制造陶瓷點陣結構的構型與承載能力和失效模式間的構效關系。

2論文亮點

（1）采用光固化增材制造技術制備了不同構型的體心四方結構的Al2O3陶瓷點陣。

（2）實驗和模擬方法相結合探討了Al2O3陶瓷點陣的力學性能及失效行為。

（3）通過離位和在位力學試驗揭示了Al2O3晶格的失效行為和機理。

3試驗方法

首先通過解除體心立方（BCC）點陣結構的桿件角度的約束，設計了BCC點陣結構的變形結構，即體心四方（BCT）結構，采用光固化增材制造技術制造BCT輕量化承載Al2O3陶瓷材料點陣結構。采用離位壓縮和在位壓縮方法研究這一類點陣結構在力學載荷下的響應規律，結合有限元模擬，建立桿件角度與力學性能的關聯關系，并揭示BCT輕量化承載Al2O3陶瓷材料點陣結構在力學載荷下的失效機理。

圖1 典型Al2O3陶瓷材料點陣結構

圖2 離位與原位壓縮測試過程

4結果

首先，通過理論推導建立了桿構型參數與BCT輕量化承載Al 2 O 3 陶瓷材料點陣結構體積密度之間的關系式，其理論誤差在1.2%。通過分析實驗和模擬結果可知，對于小角度（30°）結構，應力主要集中在節點處，導致節點處的彎曲應力超過材料強度限制，從而引發失效。隨著角度增加到45°，應力集中區域開始向支撐桿擴展，出現了節點彎曲和支撐桿屈曲的混合失效模式。當角度達到60°時，支撐桿承受的軸向應力顯著增加，屈曲失效成為主要失效模式。這種失效機理的轉變解釋了為什么大角度結構具有更高的承載能力和能量吸收性能。當桿件角度為60°時，承載強度和比吸能分別達到3.46±0.08 MPa和56.96±4.52 kJ/m3。原位X射線計算機斷層掃描（X-CT）力學試驗結果表明，Al 2 O 3 陶瓷材料點陣結構的局部缺陷對整體結構的破壞影響較小，但擴展的裂紋等缺陷會引發成為受力桿件的破壞，最終導致整體結構的失效。

圖3 論文主要研究內容

5結論

該點陣結構在力學載荷下呈現沿對角線的滑移剪切破壞模式，隨著桿件角度的增大，應力集中區域從節點逐漸擴展到支撐桿中部，導致失效模式發生變化。斷口從桿件的節點逐漸向桿件上擴展，變形模式從彎曲變形向屈曲變形轉變。同時，點陣結構的承載能力和吸能隨桿件角度的增加而增大。本研究揭示了3D打印陶瓷點陣結構的失效機理，同時也展示了材料科學、先進制造與表征技術和計算模擬技術的強大結合。

6前景與應用

因此，可以通過調整桿件構型，優化應力分布，使結構更充分地利用材料的強度，從而提高結構的整體性能。未來，可以進一步優化點陣結構設計，開發出性能更為優異的輕量化陶瓷點陣結構，用于國防與航空航天等領域。

關于團隊

作者介紹

何汝杰（通訊作者），北京理工大學長聘教授，博士生導師。長期從事陶瓷及其復合材料3D打印相關基礎理論、關鍵技術及工程應用研究，主要包括：陶瓷及其復合材料3D打印成形工藝與成形原理，3D打印陶瓷及其復合材料的微結構表征與形性精準調控方法，3D打印陶瓷及其復合材料的結構功能一體化構筑與應用等。主持國家自然科學基金3項及各類項目20余項。以第一/通訊作者發表SCI論文140余篇，授權專利10余件。擔任輕量化多功能復合材料與結構北京市重點實驗室副主任，中國硅酸鹽學會特種陶瓷分會青年工作委員會副秘書長，中國復合材料學會陶瓷基復合材料分會副主任委員、熱防護復合材料分會委員，中國生物材料學會口腔顱頜面材料分會委員會委員等。擔任SCI期刊Journal of Advanced Ceramics副主編，International Journal of Applied Ceramic Technology副主編，Materials編委，International Journal of Extreme Manufacturing、Rare Metals和《無機材料學報》青年編委；以及中文期刊《現代技術陶瓷》、《陶瓷學報》、《硅酸鹽通報》、《材料工程》、《航空材料學報》等的編委/青年編委。

張可強（第一作者、共同通訊作者），清華大學材料學院博士后，主要開展結構陶瓷3D打印基礎研究。目前，主持國家自然科學基金青年項目、博士后面上等4項基金項目，以第一作者在Additive Manufacturing Frontiers，Journal of Materials Science &Technology, Additive Manufacturing等發表論文12篇，h因子28，谷歌學術引用2700余次，單篇最高被引270余次，授權國家發明專利3項，研究成果被選為期刊封面一次，受邀擔任Addit. Manuf.，Compos. part B-Eng.等16本期刊審稿人，Additive Manufacturing Frontiers優秀青年編委，2022-2024年連續入選“全球前2%頂尖科學家”年度科學影響力排行榜。

近年團隊發表文章

[1] Keqiang Zhang, Qiaoyu Meng, Zhaoliang Qu, Rujie He, A review of defects in vat photopolymerization additive-manufactured ceramics: Characterization, control, and challenges, Journal of the European Ceramic Society, 2024, 44(3): 1361-1384.

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[3] Keqiang Zhang, Kaiyu Wang, Jiaxin Chen, Kai Wei, Bo Liang, Rujie He, Design and additive manufacturing of 3D-architected ceramic metamaterials with programmable thermal expansion, Additive Manufacturing, 47 (2021) 102338.

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作 者： 張可強

責任編輯：李 娜

責任校對： 金 程

審 核： 張 強

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