3D打印+熔模鑄造純鋁金字塔型點陣的力學行為和吸能特性
近年來，人造多孔金屬材料種類不斷增多，在航空航天、建筑、醫療衛生等諸多領域獲得了廣泛應用，以航空領域為例，很多結構件要求具備特殊力學性能的同時還要滿足吸收沖擊能量、提供散熱等功能，多孔鋁等材料已經得到廣泛應用，如點陣夾芯板結構已經作為緩沖吸能部件應用于航天飛行器上。
目前，點陣材料的制備方式有激光3D打印、編織和鑄造等方法。其中，激光3D打印結果對激光打印參數依賴性較高，易出現打印缺陷，鑄造法工藝成熟、操作簡單。
為了更好闡明彎曲主導性的金字塔型點陣金屬的應力應變行為及其吸能特征對結構參數依賴關系，從而為進一步優化設計使其滿足實際應用的需求提供參考，《熔模鑄造點陣Al的力學行為及吸能特性》一文的研究團隊以工業純Al為基體，采用3D打印技術和熔模鑄造相結合的方法制備出不同長徑比和夾角的金字塔型點陣Al（具體流程見圖1），并對其壓縮行為及吸能特性進行了考察，相較于現在流行的3D打印方式制備多孔金屬，該方法制備的試樣缺陷更少，成本更低，制備方法更簡便。
多孔金屬材料分為開孔材料和閉孔材料兩種類型。
開孔材料孔洞之間具有連通性，同時兼具吸聲、散熱、過濾等功能，具有十分廣闊的應用前景。開孔金屬材料中兩個較為重要的分支為泡沫金屬和三維點陣金屬。在受力變形時，前者的變形機制是彎曲主導型，當交接點處桿單元個數是12時，后者的變形機制是拉伸主導性，相較而言，點陣金屬具有更為優異的力學性能，如當材料相對密度為10%時，點陣金屬的強度是泡沫金屬的3倍。但是從拉伸主導型點陣金屬的應力應變曲線以及變形特征可以看出，當達到屈服強度時，桿件發生屈服，而出現軟化現象，該特征不利于其在吸能方面的應用。由于彎曲主導性的金字塔型點陣金屬的具有規則性排列的孔結構，并且壓縮應力應變曲線上也沒出現軟化現象。所以研究彎曲主導性的三維點陣金屬材料具有重要的意義。
圖1 鑄造法制備點陣鋁試驗流程示意
1 試驗過程
金字塔型點陣單胞是四棱錐頂對頂構成，使用CATIA V5R20軟件設計出三維圖，主要設計參數見圖2a和表1。金字塔型點陣材料的關鍵結構參數主要有：桿件長度L、桿件的徑D、桿單元與單胞底面的夾角ω。作為多孔材料中的一種，相對密度是影響點陣材料力學性能的重要因素，其數值為ρ0 /ρs，其中，ρ0為制備得到的點陣材料的表觀密度；ρs為純鋁的密度。
以光敏樹脂為原料，采用光固化3D打印技術制備出點陣模型，然后以該模型為犧牲模，以質量分數為99.7%的工業純鋁為基體，通過熔模鑄造工藝制備出點陣Al。
該方法主要流程如下：把光敏樹脂點陣材料置于鑄鐵模具中，然后將一定配比的石膏漿料澆入點陣材料的孔隙內，再經過自然干燥、低溫烘干、高溫焙燒等過程，使光敏樹脂材料燒除、石膏固化，得到具有點陣結構型腔的石膏型。最后使用空壓機以一定的壓力將高溫鋁液壓入石膏型，自然降溫后，鋁液凝固后便得到點陣Al胚料，用高壓水槍沖洗石膏型，并用線切割技術切取X/Y/Z方向單胞個數分別為7/7/4的壓縮試樣，見圖2c。利用Instron 3369型力學試驗機進行準靜態壓縮試驗，壓縮方向是Z軸方向，壓縮速率為2 mm/min。
圖2 金字塔型點陣結構及點陣Al
（a）金字塔型單胞結構參數；
（b）整體結構圖；
（c）點陣Al
2 結果與討論
2.1 點陣Al的壓縮應力應變行為
圖3、圖4是點陣Al的壓縮應力-應變曲線。可以看出，與拉伸主導性點陣材料不同的是，應力應變曲線在線彈性區過后沒有出現軟化現象，而是與一般彎曲主導性多孔材料相似，具有典型的3個區域，即線彈性區、應力平臺區和致密化區。
在線彈性區，點陣材料桿單元僅發生彈性變形，應力與應變成線性關系，其線性值雖然沒有拉伸主導型點陣材料大，但是具有比開孔泡沫鋁更強的線性關系，這種現象可能是由于其和開孔泡沫鋁一樣是彎曲主導型多孔材料，但是又具有拉伸主導下點陣材料的規則性排列的結構。
開孔泡沫鋁的不規則排列使其在較低的應力時，部分單胞就會發生局部屈曲。在線彈性區與應力平臺區之間呈圓滑過渡，應力平臺區內應力隨應變增加而穩中有升，升高的幅度值會隨著結構參數而發生變化。
圖3 夾角為60°時長徑比對試樣壓縮應力應變曲線的影響
由圖3可見，夾角為60°時，長徑比增大，相對密度減小，平臺區應力上升的幅度值在減小，流動應力下降。這種現象是由于相對密度越小，其孔隙率越高，在壓縮的過程中局部桿件不容易發生提前接觸導致的。對于金字塔型點陣材料，當夾角和長徑比相同時，其流動應力基本不變。本研究中，長徑比增加是保持桿徑不變，而增大桿長。當夾角不變時，長徑比增加就相當于桿長不變而使其桿徑變粗，從而使得在相同的應變時，試樣能夠承受更大的力，因此長徑比越小流動應力也就越大。值得關注的是，流動應力與長徑比并非嚴格的反比例關系。當應變為0.3時，長徑比由4.1降至3.5，流動應力由6.2 MPa上升至15 MPa。另外，流動應力值與相對密度也并非線性關系，當相對密度由0.33增加至0.51時，其流動應力值由6.2 MPa上升至23.6 MPa。此現象說明長徑比對流動應力的影響要大于對相對密度的影響，所以可以在相對密度變化不大的情況，適當減小長徑比來獲得更大的流動應力值。
圖4 長徑比為3.5時夾角對試樣壓縮應力應變曲線的影響
由圖4可見，長徑比為3.53時，隨著夾角的增大，點陣Al流動應力上升。這是因為在試樣尺寸相同的情況下，夾角越大，單胞個數會越多，從而導致相對密度增加，所以流動應力也就越大。從表1中也可以看出，在長徑比一定，角度在60°~65°之間時，角度在變化幅度不大時，可以使得相對密度發生較大的變化，從而使得流動應力值發生較大的變化。另外，通過受力分析可以看到，夾角增大時，桿件在豎直方向受到的分力會變大，同時水平方向受到的分力又減小，所以更不容易發生屈服，從而導致其流動應力更大。
2.2 Al基點陣材料的吸能特性
圖5、圖6為點陣Al的單位體積吸能曲線。可以看出，點陣Al的單位體積吸能量隨著應變的增加而增加。在線彈性區，點陣Al的吸能量較少；進入平臺區后，點陣Al的吸能量明顯增加，這是因為在較寬的應變范圍內，應力值很大并且變化較小；進入致密化區后，應力增加很大，這是因為點陣Al孔洞基本被壓實，盡管其吸能量仍在增加，但是該部分吸能主要靠致密Al基體吸收，并沒有對所需要被保護的物體起到保護作用。
圖5 夾角為60°時長徑比對試樣單位體積吸能曲線的影響
所以，點陣Al有效的單位體積吸能是致密點時的單位體積吸能。角度為60°時，隨著長徑比的增加，點陣Al的能力吸收能力逐漸降低。這是由于應變相同時，隨著長徑比的增加，點陣Al的應力變小導致的，見圖5。當長徑比為3.53時，夾角增大，相對密度增大，流動應力值也變大，所以點陣Al的單位體積吸能量增強，見圖6。
圖6 長徑比為3.5時夾角對試樣單位體積吸能曲線的影響
能量吸收效率曲線見圖7和圖8。與單位體積吸能曲線不同是，隨著應變的增加，能量吸收效率出現了先上升后下降的變化規律。在彈性區和平臺區，隨著應變增加，能量吸收效率逐漸增大；能量吸收效率達到最大值時的應變是致密點的應變。在致密化點附近時，能力吸收效率變化緩慢，并且維持較高的水平。這是因為從平臺區進去致密化區也是圓滑的曲線，而沒有非常明顯的致密化點。進入致密化區后，能量吸收效率開始下降，這是由于應力值增加速度要大于相對的能力吸收值導致的。
圖7 夾角為60°時長徑比對試樣能力吸收效率曲線的影響
從圖7可以看出，在應變小于0.3時，隨著長徑比的增加，能量吸收效率逐漸增加，但是當應變大于0.45時，長徑比為3.5時能量吸收效率最高，同時還發現，長徑比為2.9和3.5時，其致密化點的應變均為0.51，而長徑比為4.1時，其致密化點的應變是0.48。說明夾角不變，應力平臺的長度與長徑比不是正比例關系。不同的是，當長徑比不變時，隨著夾角的增大，致密化點的應變值變化不大，均在0.51附近，見圖8。致密點時的單位體積吸能量見圖9。可以看出，通過適當的增加角度或減小長徑比可以提高致密點時單位體積的吸能。
圖8 長徑比為3.5時夾角對試樣能力吸收效率曲線的影響
圖9 試樣的單位體積吸能
3 結論
（1）鑄造金字塔型點陣Al的應力應變行為與一般的泡沫Al相似，具有明顯的線彈性區、應力平臺區和致密化區
（2）點陣Al的流動應力值隨著長徑比的減小而增大，但是并非嚴格反比例關系。當長徑比一定時，夾角增加，相對密度增大，點陣Al流動應力上升。
（3）在致密化點時，點陣Al的單位體積吸能量隨著長徑比的減小而增強，隨著夾角的增大而增強。
(責任編輯：admin)
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