南航顧冬冬教授團(tuán)隊利用激光粉末床熔融（LPBF）制備出仿生夾層結(jié)構(gòu)

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在航空航天、海洋和汽車等領(lǐng)域，金屬夾層結(jié)構(gòu)因高剛度重量比等優(yōu)勢應(yīng)用廣泛，然傳統(tǒng)內(nèi)芯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)難以同時實(shí)現(xiàn)優(yōu)異機(jī)械性能與多功能性。南京航空航天大學(xué)顧冬冬教授團(tuán)隊受馬尾草莖部橫截面多孔且具連接肋的結(jié)構(gòu)啟發(fā)，利用激光粉末床融合（LPBF）技術(shù)制備出系列仿生夾層結(jié)構(gòu)。通過實(shí)驗(yàn)與有限元模擬結(jié)合，探究該結(jié)構(gòu)的成形性、力學(xué)性能、變形行為及熱傳導(dǎo)性能。結(jié)果表明，此結(jié)構(gòu)表面光滑無裂紋，特定內(nèi)徑結(jié)構(gòu)綜合性能佳，為兼具承載與隔熱功能的工程結(jié)構(gòu)件應(yīng)用提供理論依據(jù)。相關(guān)工作以《Compression and Thermal Conduction Performance of Bioinspired Sandwich Structures Fabricated by Laser Powder Bed Fusion》為題發(fā)表在《Additive Manufacturing Frontiers》上，南京航空航天大學(xué)顧冬冬教授和林開杰副教授為通訊作者。

研究內(nèi)容
通過觀察四種馬尾草莖部橫截面的微孔和連接肋結(jié)構(gòu)，受其徑向梯度分布的維管束啟發(fā)，設(shè)計出系列仿生夾層結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)參數(shù)包括長度、寬度、高度、內(nèi)外管壁厚、內(nèi)管直徑等。結(jié)果表明，所設(shè)計的結(jié)構(gòu)模仿了馬尾草的中空蜂窩狀特征，為后續(xù)制備提供了模型。

圖1. 仿生夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察不同內(nèi)管直徑的結(jié)構(gòu)表面。結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)側(cè)面光滑無裂紋，但內(nèi)管壁有粘結(jié)粉末，尤其內(nèi)管直徑大的結(jié)構(gòu)更為明顯，這是因加工時粉末粘結(jié)導(dǎo)致表面粗糙度增加。

  圖2. LPBF加工的仿生夾層結(jié)構(gòu)及相應(yīng)表面形貌。

通過MTS測試機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，測量壓縮力-位移曲線、極限強(qiáng)度、比強(qiáng)度、能量吸收等。結(jié)果表明，添加內(nèi)管可提高性能，其中內(nèi)徑1.9mm的結(jié)構(gòu)比強(qiáng)度達(dá)64.2MPa/(g/cm³)，比能量吸收3.3J/g，綜合性能最優(yōu)。  

圖3. 四種仿生夾層結(jié)構(gòu)的壓縮性能。

通過實(shí)驗(yàn)記錄不同位移下的變形情況。結(jié)果顯示，各結(jié)構(gòu)在壓縮時均出現(xiàn)45°剪切帶，內(nèi)徑1.9mm的結(jié)構(gòu)斷裂位移更大，承載能力更持久，而內(nèi)徑2.4mm的結(jié)構(gòu)斷裂位移減小。

圖4. 壓縮過程中各結(jié)構(gòu)的變形快照。

利用ANSYS LS-DYNA模擬變形和應(yīng)力分布，并與實(shí)驗(yàn)對比。結(jié)果表明，模擬與實(shí)驗(yàn)一致，添加內(nèi)管和 joint ribs 使應(yīng)力分布更均勻，內(nèi)徑1.9mm的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布最均勻。

圖5. 四種仿生夾層結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果與壓縮實(shí)驗(yàn)。  

通過ANSYS Workbench模擬溫度分布，提取不同位置溫度數(shù)據(jù)計算熱導(dǎo)率。結(jié)果顯示，內(nèi)徑1.4mm的結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)率最高（2.786W/(m·K)），無內(nèi)管結(jié)構(gòu)熱絕緣性最好，內(nèi)管增加傳導(dǎo)路徑使熱導(dǎo)率提高。

圖6. 各結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)性能。

通過繪制熱傳導(dǎo)路徑分析傳熱機(jī)制。結(jié)果表明，無內(nèi)管結(jié)構(gòu)僅通過外管壁傳導(dǎo)，熱導(dǎo)率低；有內(nèi)管結(jié)構(gòu)增加內(nèi)部傳導(dǎo)路徑，隨內(nèi)管直徑增大，傳導(dǎo)路徑變長，熱導(dǎo)率依次降低。

圖7. 四種仿生夾層結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)模式示意圖。

研究結(jié)論
本研究采用激光粉末床融合技術(shù)，以Ti6Al4V粉末為原料，設(shè)計并制備了四種基于馬尾草莖部橫截面微觀結(jié)構(gòu)的仿生夾層結(jié)構(gòu)。通過掃描電鏡分析其成形性，評估了壓縮極限強(qiáng)度、比強(qiáng)度、能量吸收等力學(xué)性能，還研究了壓縮變形行為及熱傳導(dǎo)性能與模式。結(jié)果顯示，激光粉末床融合加工的仿生夾層結(jié)構(gòu)表面光滑無裂紋，但管壁存在粘結(jié)粉末影響尺寸精度；添加內(nèi)管可提升壓縮極限強(qiáng)度和比強(qiáng)度，其中D1.9結(jié)構(gòu)綜合力學(xué)性能最優(yōu)；內(nèi)管增加內(nèi)部傳導(dǎo)路徑，使D1.4、D1.9和D2.4結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)率高于D0結(jié)構(gòu)。該研究為兼具承載和隔熱功能的結(jié)構(gòu)件工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.amf.2025.200192。