以点阵结构为典型代表的多孔结构 (Cellular structure) 因其轻量化、结构可设计、高比强度、高比刚度、结构功能一体化等优异特性受到了越来越多的研究与关注。
3D科学谷
当前，包括金属材料点阵结构、树脂基复合材料点阵结构等已在航空航天航海等中得到广泛应用。陶瓷材料具有低密度、高强度、优异的耐化学腐蚀特性与耐高温特性，在极端环境下具有更优的应用前景。一方面，陶瓷材料脆性大、硬度高，传统工艺难以实现复杂异形陶瓷点阵结构的制备，这极大制约了陶瓷材料点阵结构的相关研究。3D打印技术的发展，为陶瓷材料点阵结构的制备提供了可靠的技术途径。
3D打印的陶瓷材料点阵结构能不能应用，其力学承载性能尤为关键。陶瓷材料点阵结构承载性能的因素较多，点阵结构的胞元构型、相对密度、胞元层数、胞元大小等结构参数都对结构的承载性能影响显著。弄清这些结构参数对3D打印陶瓷材料点阵结构承载性能的具体影响规律，将为陶瓷材料点阵结构的源头设计提供指导，进而有望推进陶瓷材料点阵结构的实际应用。
北京理工大学何汝杰团队系统研究了3D打印陶瓷材料点阵结构的承载性能，揭示了结构参数 (胞元构型、相对密度、胞元层数、胞元大小等) 对点阵结构压缩性能的影响规律，并详细探究了陶瓷材料点阵结构在典型压缩载荷的失效行为与失效机制，为其实际承载应用提供了支撑。相关论文发表在《先进陶瓷》（Journal of Advanced Ceramics ）期刊。
论文链接：
https://doi.org/10.1007/s40145-022-0656-5
试验与结果
首先，团队采用光固化3D打印技术制备了图1和图2所示不同结构参数 (相对密度、胞元层数、胞元大小和胞元构型) 的Al2O3点阵结构，通过准静态压缩测试发现，增加相对密度会使单层Al2O3点阵结构的力学性能以指数规律提升，且失效模式由平行-垂直-倾斜混合模式向平行-垂直模式转变 (图 3和图 4)。
图1 不同相对密度和不同层数的Al2O3点阵结构宏微观形貌
然而，相对密度提高带来的质量增加对结构的轻量化不利。单层和双层Al2O3点阵结构的力学性能相似，且显著低于三层Al2O3点阵结构的力学性能 (图3)。
图2 (a) 小尺寸胞元和 (b) 不同构型的Al2O3点阵结构宏观形貌
图3 不同相对密度和层数的Al2O3点阵结构力学性能总结
此外，层数能显著放大相对密度对Al2O3点阵结构力学性能的影响并改变其失效模式。随着层数增加，Al2O3点阵结构由沿节点的随机取向破坏向沿特定取向的平面破坏 (图 4)。缩小胞元尺寸能在不损失结构轻量化效果、不改变失效模式的前提下提高其力学性能 (图5和图 6)。因此，在缩小胞元尺寸的同时适当降低相对密度既能满足结构件的承重需求，又不会降低其轻量化效果。
图4 不同相对密度和层数的Al2O3点阵结构失效模式总结
图5 不同胞元大小的Al2O3点阵结构力学性能总结
此外，胞元构型对Al2O3点阵结构的力学性能有显著影响。Al2O3点阵结构压缩强度和杨氏模量从高到低对应的构型依次为：改进体心立方构型、Octet、SchwarzP、IWP和体心立方。
图6 不同胞元大小的Al2O3点阵结构失效模式总结
图7 不同构型的Al2O3点阵结构力学性能总结
IWP Al2O3点阵结构具备的高能量吸收能力是由制备过程中其结构特点带来的裂纹引起 (图7)。并且，胞元构型对Al2O3点阵结构的失效模式几乎没有影响，Al2O3点阵结构中被破坏的节点大部分都集中于特定取向平面 (图 8)。
图8 不同构型的Al2O3点阵结构失效模式总结
图9 结构参数对Al2O3点阵结构力学行为影响规律的设计域雷达图
最后，团队系统地归纳了在压缩载荷下，相对密度、胞元层数、胞元尺寸及胞元构型等结构参数对胞状陶瓷结构力学行为的影响规律，厘清了各参数间的耦合关系对胞状陶瓷结构力学性能的影响，并总结出图9所示的设计域雷达图，有望为陶瓷材料点阵结构的设计与实际应用提供指导。
Zhang X,ZAHGN K,ZHANG B,et al. Mechanical properties of additively-manufactured cellular ceramic structures: A comprehensive study.Journal of Advanced Ceramics,2022,11(12):1918-1931.
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