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《Composites Part B》:3D打印具有多尺度机械吸能机制的分层互穿相复合材料

《Composites Part B》:3D打印具有多尺度机械吸能机制的分层互穿相复合材料

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2023-08-23 16:38
  • 访问量:

【概要描述】

《Composites Part B》:3D打印具有多尺度机械吸能机制的分层互穿相复合材料

【概要描述】

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2023-08-23 16:38
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​2023年7月27日,新加坡国立大学机械工程系Quyang Liu等人在《Composites Part B》上发表题为3D printed hierarchical interpenetrating phase composites with multi-scale mechanical energy absorption mechanisms的研究论文,报道了一种采用3D打印和聚合物渗透制备分层互穿相复合材料(HIPC)的新策略。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110911

  研究简介  

轻质、强韧、吸能的材料广泛用于实际工程应用中,互穿相复合材料(IPC)作为一类新型复合材料,可以更好地利用其成分的性能。然而在现有的研究中,它们的结构设计仅限于一定长度尺度下的特定结构特征。
受自然界分层复合材料的启发,本研究提出了一种通过聚合物渗透到3D打印分层多孔陶瓷晶格中的分层互穿相复合材料(HIPC)的新概念。分层多孔氧化铝晶格具有三种孔隙度,包括3D打印的大孔(300 μm)、乳液模板微孔(10 μm)和部分烧结的亚微孔(<1 μm)。通过环氧树脂的渗透,构建了具有层次结构的环氧畴和铝-环氧界面的三能级HIPC,形成了独特的多尺度机械能吸收机制。具备多孔和轻质陶瓷晶格的三层HIPC具有高比抗压强度(646 kN m/kg),比抗弯强度(39.2 kN m/kg)和SEA (18.4 kJ/kg)的优异组合。
此外,即便陶瓷含量较低,三能级HIPC也可以通过其分层连续的陶瓷微观结构有效地提高导热系数。因此,本研究的三能级HIPC通过其精致的分层结构展示了令人印象深刻的机械和热增强。分层结构工程方法也代表了从构建单尺度IPCs到多尺度HIPC的范式转变,并且可以扩展到高性能结构和功能材料的其他材料组合。

  图文速递  

图1 A)两能级和C)三能级HIPC的制备工艺和层次结构示意图。

图2 A)二能级HIPC、B)三能级HIPC、C)二能级HIPC、D)三能级HIPC的SEM图像,包括i-ii)宏观尺度、iii)微观尺度和iv)亚微观尺度的形貌。

图3 二级和三级HPC和HIPC的力学性能,包括A)代表性压应力-应变曲线,B)抗压强度,C)单位体积能量吸收,D)比抗压强度,E) SEA, F)本研究中HIPCs与文献中报道的其他结构材料在比抗压强度和SEA方面的比较。

图4 二、三级HPC和HIPC在增加压缩应变时变形行为的代表性光学图像。

图5 A)二级和B)三级高强度复合材料弯曲断口处层次结构的SEM图像,C)三级高强度复合材料多尺度机械吸能机理示意图,包括i)宏观、ii) -iii)微观和iv)亚微观。

图6 HIPCs的导热性能。

  研究结论  

本研究提出了一种采用3D打印和聚合物渗透制备分层互穿相复合材料(HIPC)的新策略。3D打印的分层多孔陶瓷晶格具有三个层次的孔隙度,包括3D打印的大孔、乳液模板微孔和部分烧结的亚微孔。三能级HIPC具有高多孔性和轻质陶瓷晶格,压缩和弯曲比强度分别为64.6 kN m/kg和39.2 kN m/kg, SEA最高为18.4 kJ/kg。其优异的力学性能归因于多尺度的机械吸能机制、环氧树脂宏观和微观领域的吸能作用以及铝-环氧树脂在宏观、微观和亚微观尺度上的相互作用的能量耗散。此外,尽管陶瓷含量低,但三层HIPC也显著提高了导热性,具有层次连续的陶瓷微观结构。该方法在铝环氧复合材料中表现出了显著的力学和热增强效果,为分层结构互穿相复合材料的制备提供了新思路,并可推广到高性能结构和功能材料的其他材料组合中。

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