導(dǎo)讀

建構(gòu)化晶格或超構(gòu)晶格材料（Architected Lattice Materials）是由結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的基本單元組成，具有前所未有的屬性調(diào)節(jié)可能，包括超輕質(zhì)、高韌性等力學(xué)性能，正被作為一類(lèi)高性能力學(xué)超材料（Mechanical Metamaterials）廣泛研究，已被證明在多領(lǐng)域多尺度范圍上能夠?qū)崿F(xiàn)超輕質(zhì)、韌性、可調(diào)剛度、良好吸能耗能和高抗沖擊等優(yōu)異力學(xué)性能。然而單一的晶格材料具有強(qiáng)度低、變形大等問(wèn)題，其潛在應(yīng)用場(chǎng)景還很缺乏，如何進(jìn)一步開(kāi)展大尺度構(gòu)件設(shè)計(jì)還有待探討。本期為大家介紹課題組解兵林等同學(xué)于近期發(fā)表在Composite Structures上題為Tunable properties and responses of architected lattice-reinforced cementitious composite components induced by versatile cell topology and distributions的文章。

詳情請(qǐng)參考：https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.116850或點(diǎn)擊文末閱讀原文進(jìn)行查看。

01

“設(shè)計(jì)材料Materials by Design”方法。論文介紹了一種以水泥基砂漿材料為基相，以晶格材料為增強(qiáng)相的建構(gòu)化晶格增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（Architected Lattice-Reinforced Cementitious Composite, 以下簡(jiǎn)稱(chēng)LRCC）。對(duì)6種典型的晶格幾何，建立由直徑d1控制的參數(shù)化模型，使晶格實(shí)體部分具有相同的體積，以及LRCC具有相同的體積增強(qiáng)率。將這些晶格分為藍(lán)色組和紅色組，前者具有中空的內(nèi)部，包括晶格單元H(hex-around)、W (warmth)和V (vintiles)；而后者內(nèi)部具有子結(jié)構(gòu)，包括晶格單元R (re-entrant)、O (octet)和T (tesseract)。將等量的PLA線(xiàn)材通過(guò)3D打印成型為6種晶格幾何，隨后進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試與模擬分析。研究了LRCC單元和小梁構(gòu)件分別受軸向壓縮和三點(diǎn)彎曲荷載下的力學(xué)增強(qiáng)機(jī)制，評(píng)價(jià)了晶格幾何特征變化對(duì)強(qiáng)度、延性和能量耗散的效應(yīng)，表征了晶格體積率和晶格布置分別對(duì)LRCC小梁抗彎曲性能的影響。

02

晶格幾何對(duì)抗壓力學(xué)性能的影響。測(cè)試了晶格單元與內(nèi)置晶格的LRCC單元在軸向壓縮下的力學(xué)性能，盡管6種晶格單元的材料用量相同，但幾何發(fā)揮的效應(yīng)在第一峰值荷載、剛度、延性和能量吸收能力等方面存在明顯差異。單元V和單元O分別是藍(lán)色組和紅色組中具有最大承載力的晶格幾何。相比于素砂漿立方體發(fā)生的脆性破壞，LRCC單元由于晶格與基體材料相互作用，在達(dá)到峰值荷載后經(jīng)歷了明顯的漸漸下降段，延性和吸能耗能能力都提高了。在藍(lán)色組晶格中，V-LRCC單元由于晶格V具有最大的內(nèi)部“空間”約束砂漿，其承載力超過(guò)了具有更大承載力晶格O的O-LRCC單元。雖然晶格單元W在受壓下具有最小的延性，但W-LRCC單元具有最大的延性，提升了2.36倍。并且O-LRCC單元具有最大的比吸能能力，提升了5.89倍。

03

晶格幾何對(duì)抗彎力學(xué)性能的影響。在晶格幾何參數(shù)化模型中，將相同晶格布置5個(gè)單元，使6種晶格具有相同的材料體積（VL?= 93750?mm3）以及LRCC小梁具有相同的晶格增強(qiáng)體積率（rLV?= 15%）。對(duì)LRCC梁在三點(diǎn)彎曲荷載下裂紋發(fā)展和分布的觀察，證實(shí)了晶格結(jié)構(gòu)物與水泥基體材料之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致不同的破壞模式。不同于素水泥基砂漿材料（rLV?= 0%）發(fā)生突然的脆性斷裂破壞，所有LRCC梁都在梁的底部經(jīng)歷了裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展的過(guò)程。其中，藍(lán)色組LRCC梁的力位移曲線(xiàn)都顯示了兩個(gè)峰值，分別表示了水泥基砂漿材料的破壞和內(nèi)置晶格結(jié)構(gòu)的斷裂，在晶格底部桿件斷裂后，橫截面變小，中性軸上移，晶格中上部桿件開(kāi)始承受荷載，達(dá)到承載力較低的第二個(gè)峰值。而紅色組LRCC梁的力位移曲線(xiàn)在達(dá)到峰值后剛度逐漸下降，這是內(nèi)核子晶格與水泥基體材料的相互作用使LRCC梁中性軸逐漸上移導(dǎo)致。此外，根據(jù)量化指標(biāo)顯示，5T-LRCC梁具有最高的抗彎承載力，提升了1.71倍；紅色組的5O-LRCC梁也具有較高的承載力。而5W-LRCC梁和5R-LRCC梁承載力低于素水泥基材料，這與5W-L晶格梁和5R-L晶格梁的承載力低于素水泥基材料的結(jié)果是一致的，揭示了晶格梁在LRCC梁的三點(diǎn)彎曲響應(yīng)中發(fā)揮的作用。其次，5O-LRCC梁是具有最好吸能能力的晶格設(shè)計(jì)，這同樣與5O-L晶格梁具有最好的吸能能力結(jié)果是一致的。綜合來(lái)看，5V-LRCC梁和5O-LRCC梁分別是藍(lán)色組與紅色組中三點(diǎn)彎曲響應(yīng)較好的晶格設(shè)計(jì)。此外，我們還研究了晶格增強(qiáng)體積率對(duì)抗彎力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明，隨著晶格增強(qiáng)體積率逐漸增大，在5%~30%范圍內(nèi)，其極限承載力依次增大，下降段變得更平緩。詳見(jiàn)原文。

總結(jié)

對(duì)優(yōu)異力學(xué)性能的追求，使小尺度的超構(gòu)晶格被各領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的研究，但本文關(guān)注的是如何實(shí)現(xiàn)超構(gòu)晶格在大尺度下依然具有優(yōu)異的力學(xué)表現(xiàn)。因此，我們探索了一種通過(guò)改變局部幾何設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)控晶格增強(qiáng)復(fù)合材料整體力學(xué)行為的材料設(shè)計(jì)“materials by design”方法；通過(guò)設(shè)計(jì)晶格幾何與單元空間布置，可以獲得力學(xué)性能優(yōu)良且可調(diào)控的輕質(zhì)復(fù)合材料；基于多樣化的晶格幾何特征對(duì)LRCC力學(xué)性能增強(qiáng)機(jī)制的理解，可以為特定場(chǎng)景選擇正確的晶格幾何及其空間布置；為了進(jìn)一步理解LRCC構(gòu)件的機(jī)理，還需要進(jìn)行兩相材料界面過(guò)渡區(qū)晶格與水泥基砂漿材料相互作用的研究。但本文的研究側(cè)重點(diǎn)在于將晶格增強(qiáng)相與水泥基砂漿材料視為一種復(fù)合材料系統(tǒng)，以擴(kuò)展該研究成果在特定的應(yīng)用場(chǎng)景下針對(duì)不同材料組合進(jìn)行大尺度的構(gòu)件設(shè)計(jì)。以期在獲得輕質(zhì)、優(yōu)良力學(xué)性能的同時(shí)，減少水泥等基質(zhì)材料的消耗，促進(jìn)塑料廢棄物的循環(huán)使用，也可以為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的未來(lái)降碳減碳。例如，3D打印的晶格可以選擇其它強(qiáng)度更大、韌性更強(qiáng)、延性更足以及吸能耗能更好的材料來(lái)制備，而基體材料可以選擇其它更重要或消耗更大的材料，并與智能化方法和數(shù)字化工具進(jìn)一步相結(jié)合。我們相信，該復(fù)合材料設(shè)計(jì)策略將為設(shè)計(jì)和優(yōu)化高性能的輕質(zhì)韌性構(gòu)件提供一種有效的途徑，以探索該類(lèi)復(fù)合材料在航空航天、國(guó)防和土木工程中的潛在應(yīng)用。

END

來(lái)源于多樣化結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室VSL

排版 | 李嘉晨

審核 | 胡? ?楠