多孔材料的發(fā)展與應用背景

隨著社會的發(fā)展，科技的進步，多孔材料慢慢進入人們的視野。借助于其輕質(zhì)、隔熱和獨特的機械性能，多孔材料被廣泛的應用在包裝運輸、汽車、航天航空等領域，其中多孔材料的一個重要作用是用作能量吸收器件來吸收沖擊能量。

不同于那些具有高阻尼的實心結(jié)構(gòu)，多孔材料在受到壓縮時往往會經(jīng)歷一個較長的平臺階段，使得其在受壓時能夠吸收大量的能量，而不會在受保護對象上產(chǎn)生高應力水平，這一點在包裝運輸和緩沖減震等領域是十分重要的。

生活中常用多孔材料及其局限

在生活中，最常用的多孔材料主要是泡沫和具有周期性的蜂窩芯的結(jié)構(gòu)(蜂窩結(jié)構(gòu))。借助于自然界中的多孔材料如木頭、骨頭等所帶來的靈感，人們已經(jīng)制作出了多種泡沫材料并廣泛使用。

泡沫材料一般通過物理和化學發(fā)泡的方法制成，雖然可以保持整體孔隙率的均勻，但結(jié)構(gòu)內(nèi)部所形成的孔的大小、類型不一，而且孔的分布具有隨機性。這使得泡沫材料的局部力學性能成為一個不可控的變量，從而使得我們在使用過程可能會出現(xiàn)局部疲勞失效或者局部傳遞應力過大，這對于一些重要的物體或精密儀器的保護是極為不利的。而泡沫材料由于工藝的限制，很難形成孔隙大小一致，分布規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

3D打印為多孔材料制作提供新途徑

3D打印的發(fā)展為多孔材料的制作提供了一種全新的方式。借助于自下而上逐層堆積的方法，3D打印可以制作出一系列孔隙規(guī)則分布、大小相同的多孔蜂窩結(jié)構(gòu)，從而可以有效解決泡沫結(jié)構(gòu)孔隙分布不均勻等問題。因此，多孔蜂窩結(jié)構(gòu)也成為了本文的主要研究對象。

多孔蜂窩結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀與問題

多孔蜂窩結(jié)構(gòu)的力學性能受到材料、單元格形狀和相對密度等多方面的影響。通過調(diào)研多孔蜂窩結(jié)構(gòu)的相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，目前的研究主要集中在剛性或脆性3D打印蜂窩的性能上，這類蜂窩結(jié)構(gòu)在受到大的壓縮載荷后往往會因為壓碎和脆性斷裂而失效，從而無法再次利用。另外，伴隨著結(jié)構(gòu)的壓碎和斷裂，會產(chǎn)生較大載荷波動。

為了在緩沖減震、個人防護設備等領域中應用我們的蜂窩結(jié)構(gòu)，有必要對彈性多孔蜂窩結(jié)構(gòu)進行研究。除此之外，目前的研究往往是通過調(diào)節(jié)蜂窩結(jié)構(gòu)的相對密度來調(diào)控其性能，而很少研究材料和單元格形狀產(chǎn)生的影響。

彈性多孔蜂窩結(jié)構(gòu)研究及3D打印優(yōu)勢

因此，為了填補對彈性多孔蜂窩結(jié)構(gòu)的研究，借助3D打印制作出了一系列彈性多孔蜂窩結(jié)構(gòu)，探究了在準靜態(tài)壓縮下多孔蜂窩結(jié)構(gòu)的材料、單元格形狀和相對密度的影響。

借助于3D打印的出現(xiàn)，使得多材料、分層及梯度結(jié)構(gòu)成為可能，這些復雜的拓撲結(jié)構(gòu)都有可能增強和調(diào)整多孔蜂窩結(jié)構(gòu)的能量吸收能力。

梯度蜂窩結(jié)構(gòu)引入及研究

因此，除了對規(guī)則的多孔蜂窩結(jié)構(gòu)進行研究外，梯度蜂窩結(jié)構(gòu)的設計在本文中被引入。梯度結(jié)構(gòu)使局部承載能力成為一個可控的空間變量，而不是近似的恒定值，給吸能材料的設計帶來了更大的靈活性。借助于數(shù)值模擬，對設計的梯度蜂窩結(jié)構(gòu)的力學行為和吸能性進行了充分的研究。

蜂窩結(jié)構(gòu)制備方法及局限

可用于制備蜂窩結(jié)構(gòu)的方法有疊加法、拉伸法和3D打印等。其中，疊加法和拉伸法常用于制作鋁蜂窩、紙蜂窩等，而3D打印可用于制造金屬或非金屬蜂窩結(jié)構(gòu)。

以鋁蜂窩結(jié)構(gòu)為例，疊加法通常是先將鋁箔制作成波紋條，然后再用膠粘或焊接的方法把波紋條連接起來，制造的結(jié)構(gòu)的強度和壽命往往受到膠粘劑的性能影響；拉伸法則是先通過膠粘把鋁箔連接在一起，然后借助相關(guān)設備將其拉伸成蜂窩結(jié)構(gòu)，通過這種方法制作的結(jié)構(gòu)的強度除了受到膠粘劑的影響外，還會受到單元形狀的影響。這是由于蜂窩結(jié)構(gòu)的部分局部會出現(xiàn)拉伸不足或過量的問題，從而使得單元形狀不夠規(guī)則，所以這種方法主要用于對結(jié)構(gòu)精度要求不高的領域。

不同單元組成的蜂窩結(jié)構(gòu)需采用不同的工藝流程，任意形狀的結(jié)構(gòu)并不總是可能的。最后，對于定制蜂窩結(jié)構(gòu)，上述方法耗時且昂貴，特別是對于具有漸變尺寸的設計。

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