基于三重周期极小曲面的3D打印互穿相复合材料的力学性能

摘要

互穿相复合材料(Interpenetrating phase composites,IPCs)由于其各相的相互连接性,与用纤维、分散颗粒等作为增强相的传统复合材料相比,具有更好的力学性能。基于动物仿生构建的三重周期极小曲面(Triply periodic minimal surface,TPMS)超材料结构是一种规律且复杂的拓扑结构,呈现出如无应力集中、高比吸能、高比强度等优异的力学性能。随着增材制造的发展,使得制备可设计的、复杂拓扑的IPCs结构成为可能。本文通过Polyjet多材料3D打印技术制备出基于TPMS的IPCs聚合物结构,并对其力学性能进行了实验研究,该IPCs结构由增强相和基体相两相组成,其中增强相采用2种TPMS(Gyroid曲面和Schwarz P曲面,简称为G曲面和P曲面)的2种拓扑(外壳拓扑和立体拓扑)结构,增强相间的孔隙部分由较软的基质材料填充。研究结果表明,在3种增强相相对密度(25%、35%、50%)下,G曲面外壳拓扑IPCs结构相比于所研究的G曲面立体拓扑、P曲面立体拓扑和外壳拓扑的IPCs结构具有更优的力学性能和整体稳定性;由于具有高刚度、高强度以及屈服后的平缓上升平台,G曲面外壳拓扑IPCs结构可在能量吸收等方面有较大的应用前景。