水泥基建筑材料的3D打印及其性能研究

供稿人:隨雨濃 魯中良
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

研究人員對水泥基材料的分級設(shè)計(jì)及增材制造越來越感興趣，然而水泥基材料的脆性行為和AM過程的存在是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。來自美國普渡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)采用新的架構(gòu)（基于生物啟發(fā)的Bouligand結(jié)構(gòu)）來利用異質(zhì)界面提高水泥基材料的抗斷裂能力。研究發(fā)現(xiàn)Bouligand結(jié)構(gòu)的存在時(shí)構(gòu)件產(chǎn)生了獨(dú)特的損傷機(jī)制，這使得固有脆性hcp材料獲得更高的容錯(cuò)性能和新的性能特征。假設(shè)將異質(zhì)界面與精心設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)相結(jié)合可以促進(jìn)諸如界面微裂紋和裂紋扭轉(zhuǎn)等損傷機(jī)制。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的使用相同材料鑄造的構(gòu)件相比，借由3D打印方法成型的Bouligand體系結(jié)構(gòu)可以使hcp構(gòu)件的失效降低50%，非彈性撓度提高50%以上。

Bouligand結(jié)構(gòu)最初在節(jié)肢動(dòng)物（螳螂蝦）的內(nèi)臟中被發(fā)現(xiàn)，曾被報(bào)道可以為hcp材料結(jié)構(gòu)元件引入韌性損傷機(jī)制。目前Bouligand結(jié)構(gòu)已被應(yīng)用于工程材料領(lǐng)域，通過使裂紋逐步擴(kuò)展、裂紋重定向等增強(qiáng)結(jié)構(gòu)韌性斷裂能力，防止發(fā)生災(zāi)難性故障。

圖1.硬化水泥漿體（hcp）元件的各種3D打印結(jié)構(gòu);a)蜂窩狀結(jié)構(gòu);b)蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)，上下兩層為實(shí)心;c,d)Bouligand架構(gòu)，相鄰兩層夾角γ=2°，45°;e,f）分別為建立的三維初始模型，所有標(biāo)尺均為10.0毫米長

圖2.在3PB測試中測試了具有不同結(jié)構(gòu)的3D打印實(shí)體零件的力學(xué)響應(yīng);a)顯示打印取向方向的樣品頂面（x-z平面）示意圖;b)3PB實(shí)驗(yàn)示意圖;c)3d打印件與鑄件的斷裂比模量;d-f)0°、45°和90°打印取向試樣破壞后圖像，顯示裂紋路徑;g-i)試樣底面裂紋路徑（沿著y軸觀察）;j-i)0°、45°和90°打印取向試樣破壞后圖像，顯示微裂紋

圖2.在3PB測試中測試了具有不同結(jié)構(gòu)的3D打印實(shí)體零件的力學(xué)響應(yīng);a)顯示打印取向方向的樣品頂面（x-z平面）示意圖;b)3PB實(shí)驗(yàn)示意圖;c)3d打印件與鑄件的斷裂比模量;d-f)0°、45°和90°打印取向試樣破壞后圖像，顯示裂紋路徑;g-i)試樣底面裂紋路徑（沿著y軸觀察）;j-i)0°、45°和90°打印取向試樣破壞后圖像，顯示微裂紋

由上圖c可知，鑄件試樣取得最小彎曲強(qiáng)度，對于3D打印試樣來說，當(dāng)3D打印路徑垂直于三點(diǎn)彎曲外載荷的方向時(shí)，試樣取得最大抗彎強(qiáng)度，當(dāng)路徑與外載荷夾角為45°時(shí)，抗彎強(qiáng)度明顯小于前者。當(dāng)打印路徑與外載荷夾角為0°時(shí)，3D打印試樣取得最小彎曲強(qiáng)度，僅略大于鑄件試樣。通過對比不同打印取向的試樣的裂紋方向，可以發(fā)現(xiàn)3D打印元件中的裂紋路徑可以通過改變打印絲的方向來控制。進(jìn)一步得出，如果通過引導(dǎo)裂紋促進(jìn)局部硬化的體系結(jié)構(gòu)即Bouligand與上述損傷機(jī)制相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)定制局部強(qiáng)化的3D打印元件。

參考文獻(xiàn)：
Mohamadreza, Moini, Jan, et al. Additive Manufacturing and Performance of Architectured Cement‐Based Materials[J]. Advanced Materials, 2018.
https://xs.scihub.ltd/https://doi.org/10.1002/adma.201802123