三维Al基拉胀结构的设计、制备、优化及其力学性能研究

发布时间：2020-07-03 10:53

【摘要】：拉胀结构(Auxetic lattice structures)是一种具有负泊松比效应的特殊点阵结构。该结构承受拉伸载荷时发生侧向膨胀,而承受压缩载荷时则发生侧向收缩。由于这种独特的负泊松比效应,使得拉胀结构比一般点阵结构具有更高的剪切强度、刚度、断裂韧性以及抗冲击能力和能量吸收本领,在轻质结构、减振、冲击防护、传感器等领域有广泛的应用前景。近年来,拉胀结构吸引了越来越多研究者的关注,成为多孔材料领域的热点研究方向之一。但是受制备方法的限制,目前所能得到的拉胀结构还比较简单,单胞也比较大,且基体大多为非金属,非常不利于拉胀结构的研究及应用。为此,本文利用3D打印技术先获得小单胞、细杆径、复杂构型的非金属拉胀结构模型,再利用该模型通过熔模铸造和压力渗流工艺制备出Al基拉胀结构。在此基础上,对其压缩力学行为、负泊松比效应及其与结构之间的关系进行了实验研究,取得了以下主要结果:1.使用CATIA画图软件,设计出不同结构参数的内凹蜂窝型和双箭头型拉胀结构,然后通过3D打印技术制备出低熔点、低活性、易成形材料的拉胀结构,再通过熔模铸造和低压渗流技术将低熔点拉胀结构模型转换成Al基拉胀结构。该方法突破了传统工艺在单胞和杆元尺寸、拉胀构型多样性等方面的限制,以及3D打印技术在基体材料选择、成形效率等方面的不足,为拉胀结构走向实际应用提供了一条新思路。2.通过Al基拉胀结构的准静态压缩实验表明,该结构应力应变曲线也具有典型的三区域特征,即变形初期的线弹性区,塑性变形后的平台区和致密化区。但与传统的多孔材料相比,Al基内凹蜂窝型拉胀结构具有更高的压缩强度。另外,拉胀结构的流动应力、单位体积或单位质量吸能均随杆长L和内凹角θ的增大而减小,随杆径D的增大而增大,泊松比的变化则相反。3.Al基双箭头型拉胀结构应力应变行为及其与杆元参数的关系与内凹蜂窝型拉胀结构相似,但泊松比更依赖于压缩应变。压缩应变增大,泊松比的绝对值逐渐增大。4.对Al基拉胀结构宏观变形模式及演化过程的观察发现,A1基内凹蜂窝型拉胀结构的压缩变形是通过斜杆弯曲和折叠进行的,横杆始终保持水平状态且没有明显伸长。随着压缩的进行,斜杆向内部移动,试样横向尺寸减小,从而产生负泊松效应。另外,变形杆元分布均匀,无局域化现象,并且整个压缩过程无断裂发生,这与普通随机孔结构的多孔金属有很大不同。Al基双箭头型拉胀结构的变形方式为长斜杆产生拉伸和弯曲变形,短斜杆产生压缩和弯曲变形,长斜杆和短斜杆沿压缩方向绕节点转动,向结构中心移动,从而产生横向收缩,即负泊松比效应。5.为了提高Al基内凹蜂窝型拉胀结构的力学性能,设计了一种在单胞中增加一根细杆的增强型拉胀结构。与原拉胀结构相比,增强型拉胀结构的力学性能显著提高。该结构弹性模量、压缩强度、单位体积或单位质量吸能均随新增连接杆直径的增加而增大,随内凹角的增加而变小。随连接杆直径变大,拉胀结构的泊松比由负变正,说明连接杆对斜杆的变形起到了阻碍作用,削弱了拉胀结构的负泊松比效应。6.在Al基拉胀结构中填充不同的聚合物材料,形成了新的拉胀复合结构。研究表明,复合结构的流动应力明显提高,其数值远大于填充前Al基拉胀结构和聚合物材料的流动应力之和。聚合物材料本身的强度越高,复合结构的强化效果就越明显。由于聚合物对杆变形及滑动的阻碍作用,复合结构泊松比的绝对值变小,并且变形模式发生变化,由压缩主导型向拉伸主导型转变,这一转变也是复合结构强化的主要原因之一。7.利用不锈钢方管作为约束介质,将填充聚合物后的Al基拉胀结构塞入方管,组成拉胀复合结构-不锈钢方管复合体。力学实验表明,复合体的强度大于单一拉胀复合结构和不锈钢方管强度的代数和,并且未出现明显的屈服现象。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.4
【图文】：

拉胀,拉伸状态,下传

胀材料的性能更主要是取决于其微结构而不是材料的组份。随着材料制备技术逡逑打印的迅猛发展，人们开始研发制备出不同尺度不同种类的新型结构，拓宽逡逑材料的应用领域。本文首次采用３Ｄ打印结合传统的熔模铸造技术，实现了多逡逑型、小单胞、多层级Ａ１基拉胀结构的设计、制备及优化，并揭示了邋ＡＩ基拉胀逡逑构的宏观力学行为以及负泊松比效应产生的机理。逡逑２拉胀材料的发展逡逑１９２８年，法国科学家泊松首先提出了泊松比（Ｐｏｉｓｓｏｎ’ｓｒａｔｉｏ）这一概念，他逡逑据分子间相互作用的理论，获得了弹性体的运动方程，理论上证明各向同性弹逡逑体在承受轴向拉伸载荷作用时，其横向变形与轴向变形比值为－常数，即泊松逡逑，它的数学表达式为：逡逑ｖ邋＝邋——逦（１．邋１）逡逑＆逡逑统材料的泊松比在０．２到０．５之间，而有一种材料泊松比为负值，即当材料轴逡逑受拉时，横向膨胀如图１．邋１所示，我们把这种材料称为拉胀材料。逡逑－

拉胀,负泊松比,泊松比效应,皮肤

第１章绪论拉胀材料极为罕见，Ｌｏｖｅ在２０世纪初首次证明了黄铁矿晶体存在负并估算其泊松比值为－Ｉ如图１．２所示。同样，在一些动物的皮肤中泊松比效应的存在，比如母牛乳头的部分皮肤［９：。在２０世纪８０年工拉胀材料开始出现。丨９８５年，Ａｌｍｇｒｅｎ提出了一种铰接的拉胀结所示［｜°。１９８７年，Ｌａｋｅｓ制造出了第一个人工制造的拉胀泡沫结构如［＂。此后，研宄人员开始对拉胀结构进行了广泛的研宄［１２＿Ｈ。例如，Ｍａ实验制备出了具有负泊松比的凹型结构如图１．５所示［１５：。Ｂ邋Ｄ邋Ｃａｄｄｏｖａｎｓ通过挤压和拉拔控制制备了一种负泊松比的聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ】。逦．

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