同濟(jì)大學(xué)李巖、楊偉東、王鵬團(tuán)隊(duì)：3D打印復(fù)合材料力學(xué)性能的不確定量化與強(qiáng)化設(shè)計(jì)

來源：同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院

3D打印聚合物基復(fù)合材料憑借輕量化、高強(qiáng)度和可定制等優(yōu)勢，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。然而，增材制造過程容易引發(fā)纖維偏轉(zhuǎn)、樹脂浸漬不充分及孔隙缺陷等，導(dǎo)致成型件力學(xué)性能具有顯著分散性；同時(shí)，聚合物基體的固有脆性使得復(fù)合材料延展性與抗沖擊性能明顯受限，嚴(yán)重阻礙了3D打印復(fù)合材料的工程化應(yīng)用。

成果介紹

為此，同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院李巖教授團(tuán)隊(duì)提出了一種多尺度的貝葉斯方法，實(shí)現(xiàn)了3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能與微結(jié)構(gòu)參數(shù)的跨尺度協(xié)同不確定性量化分析。首先基于圖像識(shí)別、張量分析和快速傅里葉變換技術(shù)，表征了打印復(fù)合材料的關(guān)鍵微結(jié)構(gòu)參數(shù)分布；其次結(jié)合復(fù)合材料平均場均勻化理論和束間孔隙模型，建立了3D打印復(fù)合材料的各向異性多尺度本構(gòu)理論；最后發(fā)展結(jié)合本構(gòu)理論的多層級貝葉斯方法，全面量化了3D打印復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能和微結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性。該概率方法實(shí)現(xiàn)了3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料本構(gòu)參數(shù)的不確定性量化與溯源分析，為其高性能化設(shè)計(jì)與制造提供理論指導(dǎo)。相關(guān)研究成果“A multiscale Bayesian method to quantify uncertainties in constitutive and microstructural parameters of 3D-printed composites”發(fā)表于固體力學(xué)旗艦期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids。

圖1  3D打印復(fù)合材料多尺度貝葉斯不確定量化方法

此外，研究團(tuán)隊(duì)受B-O動(dòng)態(tài)配位鍵啟發(fā)，提出了適用于3D打印聚合物基復(fù)合材料的通用增韌與能量耗散策略。通過剪切變硬材料SSG與聚乳酸基體的復(fù)合，成功制備了智能抗沖擊復(fù)合材料PLA/SSG，在保持極限強(qiáng)度不變的前提下實(shí)現(xiàn)斷裂延伸率40倍提升及330%沖擊能量吸收率，兼具卓越抗沖擊性、優(yōu)異延展性及良好強(qiáng)度-延展性平衡。該材料同時(shí)具備出色的熱穩(wěn)定性與加工性能，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D打印，其亞麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的能量耗散較傳統(tǒng)材料提升20.6%。該策略為3D打印智能抗沖擊材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了新思路。相關(guān)研究成果“A Universal Toughening and Energy-Dissipating Strategy for Impact-Resistant 3D-Printed Composites”發(fā)表于綜合類1區(qū)Top期刊Advanced Science。

圖2 基于B-O動(dòng)態(tài)配位鍵的增韌與能量耗散策略

可有效提升復(fù)合材料力學(xué)性能，

為3D打印抗沖擊結(jié)構(gòu)提供新解決方案

我院2023級博士生洪翔為論文第一作者，李巖教授、王鵬副教授和楊偉東研究員為論文共同通訊作者。章中森副教授，陳永霖助理教授和張峻銘博士對論文作出了重要貢獻(xiàn)。上述研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)的資助。