中南大学：3D打印复合材料薄壁结构多工况载荷下的渐进坍塌行为和机理研究
薄壁结构具有优良力学性能和轻量化特点，因其稳定的坍塌塑性行为而具有优良的能量吸收能力，因此在汽车、航空航天等行业中有着越来越广泛的应用。除了进行结构设计外，几年来，越来越多的研究学者还将新材料引入吸能结构以提高其耐撞性能和轻量化水平。
复合材料在破坏过程中会产生基体脆性裂纹、纤维断裂、分层和纤维-基体脱粘等现象，并从中吸收大量能量。因此，将复合材料制成的薄壁结构用作吸能器具有很高的应用潜力。
由于传统复合材料制造技术受其工艺限制，难以制造复杂截面结构。而3D打印技术因其对复杂结构的可定制性和快速制造性而受到越来越多的关注。中南大学与法国斯特拉斯堡大学的研究团队开展了3D打印复合材料薄壁结构研究，在相关论文中深入探讨了准静态压缩和低速冲击条件下的破碎行为和机理，分析了动力加载对力响应和能量吸收的影响。
本期谷.专栏将分享以上团队取得的研究结果。
论文链接
https://doi.org/10.1016/j.tws.2021.108810
图文解析
研究团队采用熔融沉积成型3D打印技术，用聚酰胺和纤维增强聚酰胺基复合材料制备了不同截面形状的薄壁结构，如图1所示。
图1 (a) 熔融沉积成型3D打印原理图; (b)不同结构和材料的3D打印薄壁结构：聚酰胺(PA)、短碳纤维增强聚酰胺(PACF)、短玻璃纤维增强聚酰胺(PAGF); (c)薄壁结构截面形状。
为了研究薄壁复合材料结构在低应变率下的压溃行为，在室温(20℃)下以10 mm/min的恒定速度进行准静态压缩试验。在压缩过程中，薄壁结构在初始塑性变形后逐渐倒塌，呈现出渐进模式和欧拉屈曲模式的两种压溃行为，如图2所示。
图2 3D打印薄壁结构的准静态压缩过程: (a)-(d) PA; (e)-(h) PAGF; (i)-(l) PACF。
其中三角形结构在压缩开始时失稳，出现整体屈曲。而PACF六边形结构以稳定、规则的折叠方式产生了波长最短的塑料铰链，吸能性能优于其他结构，如图3所示。
图3 3D打印薄壁结构的耐撞性能指标: (a) 平均破碎力; (b) 比吸能。
为进一步研究薄壁结构的冲击响应，采用落锤试验机进行了初速度为10m/s的低速冲击试验。结果表明，所有的结构均经历了从裂纹到断裂的渐进破坏模式，并最终被冲击成碎片，如图4所示。
图4 3D打印薄壁结构的动态冲击过程: (a)-(d) PA; (e)-(h) PAGF; (i)-(l) PACF。
研究团队通过对水平和纵向断裂面进行了扫描电镜研究，发现在纵向断裂面中有纤维从基体中拔出，而水平断裂面中的纤维被基体较好地包裹（图5），其机理如图6所示。
图5 (a) PAGF与(b) PACF六边形结构的扫描电镜分析
图6 动态冲击过程中产生的断裂机制: (a)纵向断裂面; (b)水平断裂面。
最后，研究团队研究了动态加载对复合材料薄壁结构的影响。由于材料的应变率效应和结构的惯性效应，薄壁结构在准静态压缩条件下表现为塑性渐进破坏模式，而在动态冲击条件下结构表现为脆性断裂渐进破坏模式，如图7所示。
图7 3D打印薄壁结构在准静态压缩和动态冲击条件下的力学响应和倒塌模式比较。
结构刚度和峰值破碎力由于动载效应的影响显著增加。而由于在塑性变形和断裂阶段结构断裂，动态冲击条件下的压碎力低于准静态压缩试验，这导致了能量吸收的降低，如图8所示。碳纤维增强复合材料六边形结构在准静态和动态加载条件下都能表现出较高的比吸能。
图8 3D打印薄壁结构在准静态压缩和动态冲击条件下的耐撞性能指标比较: (a)(d)(g) 结构刚度; (b)(e)(h) 峰值破碎力; (c)(f)(i)比吸能。
小结
论文通过熔融沉积成型3D打印技术制备了复合材料薄壁结构，研究了其在准静态压缩和动态冲击条件下的破碎行为和机理。结果表明截面构型对结构的倒塌模式有显著影响。在准静态压缩条件下，四边形、六边形和圆形结构呈现渐进变形模式，而三角形结构呈现欧拉屈曲模式。准静态压缩下的塑性变形主要包括水平弯曲变形和膜变形。在动态冲击条件下，薄壁结构的倒塌模式由塑性变形模式转变为脆性断裂模式。由于复合材料的应变率效应，结构刚度、峰值压溃力等力学性能提高而结构吸能性能下降。其中碳纤维增强聚酰胺材料的六边形结构在准静态压缩和动态冲击条件下均表现出最高的比吸能，在多条件加载下表现出最佳的吸能潜力。
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