三維Al基點(diǎn)陣材料設(shè)計、制備及力學(xué)性能研究.pdf

1、點(diǎn)陣材料是一種新型的胞狀有序多孔材料，其單胞為桿單元組成的空間網(wǎng)架類結(jié)構(gòu)。金屬基點(diǎn)陣材料具有良好的力學(xué)性能和功能特性，在航空航天、交通運(yùn)輸、武器裝備、電子器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本文針對目前金屬基點(diǎn)陣材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備方法、性能研究等方面存在的不足及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用需求，通過計算機(jī)輔助設(shè)計、3D打印及熔模滲流工藝對Al基點(diǎn)陣材料的制備工藝進(jìn)行了研究;通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)及細(xì)觀組織觀察，對Al基點(diǎn)陣材料本構(gòu)特征、變形行為及其機(jī)制進(jìn)

2、行了分析，得到了以下主要結(jié)果:
　　1、利用CATIA(Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application)軟件編制了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，設(shè)計出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的金字塔型和四面體型點(diǎn)陣單胞及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);根據(jù)3D打印技術(shù)原理，對聚丙烯、尼龍和光敏樹脂等低熔點(diǎn)非金屬打印材料及點(diǎn)陣模樣“打印”工藝（選擇性激光燒結(jié)和紫外激光固化）進(jìn)行了試驗(yàn)與優(yōu)化。結(jié)果表明，基于液態(tài)光敏樹脂的光固化3D打印工藝

3、，不僅成形速度快，而且打印出的模樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)完整，表面光潔度高，力學(xué)性能好，為后續(xù)金屬點(diǎn)陣材料制備及其性能研究奠定了重要基礎(chǔ)。
　　2、針對點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)桿徑和桿長較小、桿連接節(jié)點(diǎn)較多從而使石膏熔模制備及金屬液在熔模內(nèi)流動困難的特點(diǎn)，對熔模壓力滲流法制備Al基點(diǎn)陣材料的工藝過程進(jìn)行了系統(tǒng)研究，包括石膏漿料組成與配比、石膏熔模加熱過程中結(jié)構(gòu)及物性的變化、石膏熔模的高溫強(qiáng)度及滲流后的潰散性以及滲流壓力控制等，獲得了具有良好流動性、熱物性、力學(xué)

4、性能和易溶性的石膏熔模組成和熱處理工藝。通過對石膏熔模預(yù)熱溫度、Al液滲流溫度和壓力對多孔骨架中的金屬液流動規(guī)律影響的研究，得到了最佳的滲流工藝，制備出不同構(gòu)型、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的多層Al基點(diǎn)陣材料，其幾何精度與3D打印的模樣基本一致。
　　3、針對點(diǎn)陣材料的一般承載方式和應(yīng)用場合，對Al基點(diǎn)陣材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮行為及其與點(diǎn)陣構(gòu)型、主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（桿截面形狀、桿長、桿徑、夾角、相對密度等）的依賴關(guān)系進(jìn)行了考察。結(jié)果顯示，Al基點(diǎn)陣材料與一般

5、多孔材料相似，在應(yīng)力應(yīng)變曲線上也有明顯的彈性區(qū)、平臺區(qū)和致密化區(qū)。但與一般多孔材料不同的是，上述三個區(qū)域的長短、高低與點(diǎn)陣材料的相對密度呈非線性關(guān)系，并且與桿單元與單胞底面的夾角密切相關(guān)。點(diǎn)陣材料相對密度增加約1倍，平臺流動應(yīng)力增加近7倍;桿單元與單胞底面夾角為45°時，平臺流動應(yīng)力約7MPa，而當(dāng)夾角增加至70°時，平臺流動應(yīng)力則增加到15MPa。
　　在夾角、相對密度接近時，四面體型點(diǎn)陣材料的長徑比要小于金字塔型，因此前者力學(xué)

6、性能和吸能性能都要好于后者。隨著長徑比的減小，雖然四面體型點(diǎn)陣材料的流動應(yīng)力、平均壓潰力以及單位質(zhì)量吸能都逐漸變大，但是能量吸收效率卻有所降低。
　　4、為了探索進(jìn)一步改善材料性能的途徑，對不同基體材料及不同桿截面形狀的Al基點(diǎn)陣材料進(jìn)行了力學(xué)性能研究。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與工業(yè)純Al相比，采用高強(qiáng)度的6063和6066Al合金為基體，點(diǎn)陣材料的流動應(yīng)力明顯提高，其中6066Al合金的強(qiáng)化效果最明顯，抗壓強(qiáng)度高達(dá)50MPa左右。對圓形、半空

7、心圓形及U形截面桿點(diǎn)陣材料的考察發(fā)現(xiàn)，U形截面更有利于提高材料的彈性模量和抗壓強(qiáng)度，當(dāng)其它參數(shù)相同時，U形截面桿點(diǎn)陣材料的抗壓強(qiáng)度是圓形截面桿的2倍以上，其原因是三種桿中，U形截面桿具有最大的慣性矩，而點(diǎn)陣材料的抗壓強(qiáng)度與桿單元的慣性矩成正比。
　　5、為了揭示Al基點(diǎn)陣材料力學(xué)行為的物理機(jī)制，對材料宏、細(xì)觀壓縮變形模式、變形組織演變規(guī)律等進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)純Al基金字塔型點(diǎn)陣材料的壓縮變形以桿單元的彎曲、折疊為主，無明顯斷裂，整體

8、變形方式取決于桿單元與單胞底面的夾角。夾角較小時，如45°，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中所有桿單元同時彎曲和折疊，變形組織在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中均勻分布;反之，當(dāng)夾角較大時，如70°，桿單元彎曲首先在一個局部區(qū)域內(nèi)發(fā)生，然后局域化變形組織逐漸向其它區(qū)域擴(kuò)展直至整體致密化。該變形方式與相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線的形狀是吻合的，即前者彈性區(qū)與平臺區(qū)圓滑過渡，后者則在彈性區(qū)與平臺區(qū)之間出現(xiàn)明顯的屈服平臺。
　　6、鑒于Al基點(diǎn)陣材料的變形模式以桿單元的彎曲為主，試驗(yàn)中將A

9、l基點(diǎn)陣材料壓入6063 Al合金方管及用不同硅橡膠填入Al基點(diǎn)陣材料的孔隙，分別形成了內(nèi)、外約束條件。對其進(jìn)行的壓縮試驗(yàn)表明，當(dāng)位移較小時，填充方管的組合材料基本上沿襲了方管的變形模式，而當(dāng)位移較大時，載荷-位移曲線明顯升高，其值大于方管和點(diǎn)陣材料單獨(dú)壓縮時載荷的代數(shù)和，表明方管對點(diǎn)陣材料橫向變形的約束產(chǎn)生了明顯的強(qiáng)化效果。對于填充硅橡膠的場合，點(diǎn)陣材料不僅流動應(yīng)力顯著上升，而且在應(yīng)力應(yīng)變曲線上只出現(xiàn)彈性區(qū)和平臺區(qū)，無致密化區(qū)，因此材