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微點陣圓柱殼結構的原位同步X射線斷層掃描研究

釋出時間·▩·:2022-05-09      點選次數·▩·:185

輕質的點陣超材料在散熱•◕、隔音•◕、承載和能量吸收領域具有極大的應用前景▩╃•↟。近年來•▩◕☁◕,具有仿生結構特徵的新型微點陣殼體曲面結構•▩◕☁◕,尤其是基於三週期最小曲面的微點陣殼結構得到學術界和工業部門的廣泛關注▩╃•↟。相關的研究發現這類微點陣殼結構在吸收能量方面顯著優於同等重量的微點陣桁架結構▩╃•↟。然而•▩◕☁◕,目前關注度高的微點陣殼結構主要是在笛卡爾座標系下設計的週期性排布最小曲面的立方殼結構•▩◕☁◕,在很多具有圓柱構型的工程裝備應用中具有一定的侷限性•▩◕☁◕,而基於三週期最小曲面的微點陣圓柱殼結構鮮有報道▩╃•↟。


伴隨著3D列印行業的發展•▩◕☁◕,越來越多的3D列印技術被用於微點陣結構的製備與相關力學研究▩╃•↟。然而•▩◕☁◕,製造過程中不可避免地都會在材料內部產生隨機的幾何缺陷•▩◕☁◕,這些缺陷將會對宏觀結構的力學效能產生較大的影響▩╃•↟。目前•▩◕☁◕,已有大量關於選擇性鐳射熔融技術或者電子束熔融技術的製造缺陷對結構力學效能影響的報道▩╃•↟。但是對於具有更小尺度的•◕、更高精度的微點陣結構•▩◕☁◕,特別是結構更為複雜的三週期最小曲面的微點陣殼結構•▩◕☁◕,受限於其加工難度•▩◕☁◕,鮮少有其相關的缺陷力學影響研究▩╃•↟。而面投影立體光刻技術(PμSL)的出現•▩◕☁◕,其亞微米級的光學精度可以促使更加精細•◕、微小尺寸的微點陣結構得到精準製備•▩◕☁◕,極大地推動了微點陣結構在多功能化的進展▩╃•↟。


基於上述背景•▩◕☁◕,北京理工大學李營課題組•◕、上海交通大學吳文旺課題組研究了採用PμSL 3D列印技術(2μm光學精度列印系統nanoArch S130•▩◕☁◕,摩方精密)製備的基於三週期最小曲面的微點陣圓柱殼結構(P-TPMS)的力學行為▩╃•↟。同時採用原位同步X射線斷層掃描三維成像技術和間斷原位壓縮實驗來量化缺陷對壓縮力學效能的影響▩╃•↟。研究結果表明•▩◕☁◕,沿垂直方向的厚度大於沿水平方向的厚度▩╃•↟。另外•▩◕☁◕,為了明確製造缺陷對力學行為的影響•▩◕☁◕,研究團隊建立了三種不同的有限元分析模型▩╃•↟。模擬結果表明•▩◕☁◕,與理想模型和真實幾何重建模型相比•▩◕☁◕,統計模型具有更高的精度和效.率▩╃•↟。最後•▩◕☁◕,針對厚度缺陷對殼體力學效能的影響進行了引數化的研究▩╃•↟。該研究成果•▩◕☁◕,以“In-situ synchrotron X-ray tomography investigation of the imperfect smooth-shell cylinder structure"為題發表在Composite Structures上▩╃•↟。




1. (a) P-TPMS微點陣圓柱殼結構的設計示意圖;(b) 列印模型示意圖 (c) 相應的結構引數示意圖


2. 列印過程示意圖(nanoArchS130•▩◕☁◕,摩方精密)


3 列印樣件的光學顯微鏡圖片


4. 原位同步X射線斷層掃描裝置


表格·▩·:三種模型的效能引數與計算時間



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