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行业新知

结构材料经常承受复杂的静态和动态载荷环境，需要较高的损伤容限。然而，同时实现轻质、高强度和高效能量吸收是一项挑战。近日，清华大学万春磊教授带领团队在《Additive Manufacturing》发表了题为《High strength and damage tolerance in lightweight 3D-architectured ceramic/polymer composites with varied periodical topology》的研究，他们通过 3D 打印具有三重周期最小表面 (TPMS) 结构的陶瓷，然后进行聚合物渗透来制造轻质 3D 结构陶瓷/聚合物复合材料。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104605
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研究内容

轻质三维构架陶瓷/聚合物复合材料由于其优异的力学性能和多功能性，在航空航天、汽车、能源等领域具有广泛的应用前景。

本研究通过精确设计和制造具有不同周期性拓扑结构的三维构架陶瓷/聚合物复合材料，研究了它们的高强度和良好的损伤容忍性能。采用了一种多尺度的结构优化策略，通过改变复合材料的周期性拓扑结构，从而调控材料的力学行为。

以下是文章的研究方法及数据：

△图1，基于周期性拓扑结构的 3D 结构 Al₂O₃/环氧复合材料的灵感和制备，(a) 具有三种拓扑类型的复合材料的制备过程，(b)-(d)Al₂O₃增强相和三种拓扑结构的 3D 结构 Al₂O₃/环氧复合材料的形貌，(e)-(f) 有机-无机界面的 SEM 图像。。

△图2，增强相和不同结构的3D结构Al₂O₃ /环氧树脂复合材料的力学性能。

△图3，3D结构 Al₂O₃ /环氧复合材料的机械性能，不同拓扑 Al₂O₃增强相和 3D 结构复合材料的比较，包括（a）压缩应力-应变曲线，（b）-（d）压缩断裂后的形态，（e）压缩强度，（f）致密化应变的测定，（g）能量吸收。

△图4，数码相机捕捉到的三种 3D 结构 Al₂O₃/环氧树脂复合材料的变形过程（应变分别为 5%、10% 和 20%），（a）金刚石，（b）螺旋体，（c）原始体。

图 5. 三种拓扑结构（a）金刚石、（b）螺旋状和（c）原始的X-CT切片的3D重建形貌，从中提取TPMS拓扑增强阶段相的重建形貌：（i）初始形貌，（ii）内部裂纹扩展路径和（iii）最大应力下的缺陷体积密度分布，（iv）X-CT横向切片和（v）中心横截面的X-CT纵向切片。

△图6，最大压缩应力下三种受损三维结构复合材料的表面裂纹扩展路径的扫描电子显微镜图像，（a）金刚石，（b）螺旋状，（c）原始，（1）完整的拓扑复合材料的表面和（2）受损三维结构复合材料的表面和（3）放大视图。

△图7，断裂的3D结构Al₂O₃/环氧树脂复合材料和纯陶瓷增强相的截面的扫描电子显微镜图像，(a)-(b)断裂复合材料中陶瓷增强相的截面，(c)复合材料的截面，(d)-(e)纯氧化铝增强相的截面。

△图8，Ashby 图比较了本研究中的 3D 结构复合材料的特性与文献中报道的其他结构材料的特性，(a) 抗压强度 - 密度，(b) 特定吸收能量 - 特定抗压强度 (SEA)。

结论

本研究通过3D打印和聚合物浸润技术，创新性地制备了具有多种周期性拓扑结构的轻质3D结构Al₂O₃ /环氧树脂复合材料，且制造精度高。通过原位X-CT得出结论，在3D结构的Gyroid复合材料中，陶瓷的均匀渐进断裂和聚合物的协调塑性变形实现了协同强化（约230 MPa）和增韧（约25.6 kJ / kg）。相比之下，3D结构的Diamond复合材料中沿45°方向的定向剪切损伤导致过早的整体失效，从而限制了能量吸收，而3D结构的Primitive复合材料中沿三个方向同时出现的穿透裂纹导致最低的承载能力和能量吸收。因此揭示了环氧树脂包裹的陶瓷除了具有稳定的变形行为外，有效的拓扑结构也有助于复合材料的协同强韧化。

来源：奇遇科技ADTE