3D打印+熔模铸造纯铝金字塔型点阵的力学行为和吸能特性

     近年来，人造多孔金属材料种类不断增多，在航空航天、建筑、医疗卫生等诸多领域获得了广泛应用，以航空领域为例，很多结构件要求具备特殊力学性能的同时还要满足吸收冲击能量、提供散热等功能，多孔铝等材料已经得到广泛应用，如点阵夹芯板结构已经作为缓冲吸能部件应用于航天飞行器上。

      目前，点阵材料的制备方式有激光3D打印、编织和铸造等方法。其中，激光3D打印结果对激光打印参数依赖性较高，易出现打印缺陷，铸造法工艺成熟、操作简单。

为了更好阐明弯曲主导性的金字塔型点阵金属的应力应变行为及其吸能特征对结构参数依赖关系，从而为进一步优化设计使其满足实际应用的需求提供参考，《熔模铸造点阵Al的力学行为及吸能特性》一文的研究团队以工业纯Al为基体，采用3D打印技术和熔模铸造相结合的方法制备出不同长径比和夹角的金字塔型点阵Al（具体流程见图1），并对其压缩行为及吸能特性进行了考察，相较于现在流行的3D打印方式制备多孔金属，该方法制备的试样缺陷更少，成本更低，制备方法更简便。

多孔金属材料分为开孔材料和闭孔材料两种类型。

      开孔材料孔洞之间具有连通性，同时兼具吸声、散热、过滤等功能，具有十分广阔的应用前景。开孔金属材料中两个较为重要的分支为泡沫金属和三维点阵金属。在受力变形时，前者的变形机制是弯曲主导型，当交接点处杆单元个数是12时，后者的变形机制是拉伸主导性，相较而言，点阵金属具有更为优异的力学性能，如当材料相对密度为10%时，点阵金属的强度是泡沫金属的3倍。但是从拉伸主导型点阵金属的应力应变曲线以及变形特征可以看出，当达到屈服强度时，杆件发生屈服，而出现软化现象，该特征不利于其在吸能方面的应用。由于弯曲主导性的金字塔型点阵金属的具有规则性排列的孔结构，并且压缩应力应变曲线上也没出现软化现象。所以研究弯曲主导性的三维点阵金属材料具有重要的意义。

图1 铸造法制备点阵铝试验流程示意

 1 试验过程

金字塔型点阵单胞是四棱锥顶对顶构成，使用CATIA V5R20软件设计出三维图，主要设计参数见图2a和表1。金字塔型点阵材料的关键结构参数主要有：杆件长度L、杆件的径D、杆单元与单胞底面的夹角ω。作为多孔材料中的一种，相对密度是影响点阵材料力学性能的重要因素，其数值为ρ0 /ρs，其中，ρ0为制备得到的点阵材料的表观密度；ρs为纯铝的密度。

以光敏树脂为原料，采用光固化3D打印技术制备出点阵模型，然后以该模型为牺牲模，以质量分数为99.7%的工业纯铝为基体，通过熔模铸造工艺制备出点阵Al。

该方法主要流程如下：把光敏树脂点阵材料置于铸铁模具中，然后将一定配比的石膏浆料浇入点阵材料的孔隙内，再经过自然干燥、低温烘干、高温焙烧等过程，使光敏树脂材料烧除、石膏固化，得到具有点阵结构型腔的石膏型。最后使用空压机以一定的压力将高温铝液压入石膏型，自然降温后，铝液凝固后便得到点阵Al胚料，用高压水枪冲洗石膏型，并用线切割技术切取X/Y/Z方向单胞个数分别为7/7/4的压缩试样，见图2c。利用Instron 3369型力学试验机进行准静态压缩试验，压缩方向是Z轴方向，压缩速率为2 mm/min。

图2 金字塔型点阵结构及点阵Al

（a）金字塔型单胞结构参数；

（b）整体结构图；

（c）点阵Al

 2 结果与讨论

2.1 点阵Al的压缩应力应变行为

图3、图4是点阵Al的压缩应力-应变曲线。可以看出，与拉伸主导性点阵材料不同的是，应力应变曲线在线弹性区过后没有出现软化现象，而是与一般弯曲主导性多孔材料相似，具有典型的3个区域，即线弹性区、应力平台区和致密化区。

在线弹性区，点阵材料杆单元仅发生弹性变形，应力与应变成线性关系，其线性值虽然没有拉伸主导型点阵材料大，但是具有比开孔泡沫铝更强的线性关系，这种现象可能是由于其和开孔泡沫铝一样是弯曲主导型多孔材料，但是又具有拉伸主导下点阵材料的规则性排列的结构。

开孔泡沫铝的不规则排列使其在较低的应力时，部分单胞就会发生局部屈曲。在线弹性区与应力平台区之间呈圆滑过渡，应力平台区内应力随应变增加而稳中有升，升高的幅度值会随着结构参数而发生变化。

图3 夹角为60°时长径比对试样压缩应力应变曲线的影响

由图3可见，夹角为60°时，长径比增大，相对密度减小，平台区应力上升的幅度值在减小，流动应力下降。这种现象是由于相对密度越小，其孔隙率越高，在压缩的过程中局部杆件不容易发生提前接触导致的。对于金字塔型点阵材料，当夹角和长径比相同时，其流动应力基本不变。本研究中，长径比增加是保持杆径不变，而增大杆长。当夹角不变时，长径比增加就相当于杆长不变而使其杆径变粗，从而使得在相同的应变时，试样能够承受更大的力，因此长径比越小流动应力也就越大。值得关注的是，流动应力与长径比并非严格的反比例关系。当应变为0.3时，长径比由4.1降至3.5，流动应力由6.2 MPa上升至15 MPa。另外，流动应力值与相对密度也并非线性关系，当相对密度由0.33增加至0.51时，其流动应力值由6.2 MPa上升至23.6 MPa。此现象说明长径比对流动应力的影响要大于对相对密度的影响，所以可以在相对密度变化不大的情况，适当减小长径比来获得更大的流动应力值。

图4 长径比为3.5时夹角对试样压缩应力应变曲线的影响

由图4可见，长径比为3.53时，随着夹角的增大，点阵Al流动应力上升。这是因为在试样尺寸相同的情况下，夹角越大，单胞个数会越多，从而导致相对密度增加，所以流动应力也就越大。从表1中也可以看出，在长径比一定，角度在60°~65°之间时，角度在变化幅度不大时，可以使得相对密度发生较大的变化，从而使得流动应力值发生较大的变化。另外，通过受力分析可以看到，夹角增大时，杆件在竖直方向受到的分力会变大，同时水平方向受到的分力又减小，所以更不容易发生屈服，从而导致其流动应力更大。

2.2 Al基点阵材料的吸能特性

图5、图6为点阵Al的单位体积吸能曲线。可以看出，点阵Al的单位体积吸能量随着应变的增加而增加。在线弹性区，点阵Al的吸能量较少；进入平台区后，点阵Al的吸能量明显增加，这是因为在较宽的应变范围内，应力值很大并且变化较小；进入致密化区后，应力增加很大，这是因为点阵Al孔洞基本被压实，尽管其吸能量仍在增加，但是该部分吸能主要靠致密Al基体吸收，并没有对所需要被保护的物体起到保护作用。

图5 夹角为60°时长径比对试样单位体积吸能曲线的影响

所以，点阵Al有效的单位体积吸能是致密点时的单位体积吸能。角度为60°时，随着长径比的增加，点阵Al的能力吸收能力逐渐降低。这是由于应变相同时，随着长径比的增加，点阵Al的应力变小导致的，见图5。当长径比为3.53时，夹角增大，相对密度增大，流动应力值也变大，所以点阵Al的单位体积吸能量增强，见图6。

图6 长径比为3.5时夹角对试样单位体积吸能曲线的影响

能量吸收效率曲线见图7和图8。与单位体积吸能曲线不同是，随着应变的增加，能量吸收效率出现了先上升后下降的变化规律。在弹性区和平台区，随着应变增加，能量吸收效率逐渐增大；能量吸收效率达到最大值时的应变是致密点的应变。在致密化点附近时，能力吸收效率变化缓慢，并且维持较高的水平。这是因为从平台区进去致密化区也是圆滑的曲线，而没有非常明显的致密化点。进入致密化区后，能量吸收效率开始下降，这是由于应力值增加速度要大于相对的能力吸收值导致的。

图7 夹角为60°时长径比对试样能力吸收效率曲线的影响

从图7可以看出，在应变小于0.3时，随着长径比的增加，能量吸收效率逐渐增加，但是当应变大于0.45时，长径比为3.5时能量吸收效率最高，同时还发现，长径比为2.9和3.5时，其致密化点的应变均为0.51，而长径比为4.1时，其致密化点的应变是0.48。说明夹角不变，应力平台的长度与长径比不是正比例关系。不同的是，当长径比不变时，随着夹角的增大，致密化点的应变值变化不大，均在0.51附近，见图8。致密点时的单位体积吸能量见图9。可以看出，通过适当的增加角度或减小长径比可以提高致密点时单位体积的吸能。

图8 长径比为3.5时夹角对试样能力吸收效率曲线的影响

图9 试样的单位体积吸能

 3 结论

（1）铸造金字塔型点阵Al的应力应变行为与一般的泡沫Al相似，具有明显的线弹性区、应力平台区和致密化区

（2）点阵Al的流动应力值随着长径比的减小而增大，但是并非严格反比例关系。当长径比一定时，夹角增加，相对密度增大，点阵Al流动应力上升。

（3）在致密化点时，点阵Al的单位体积吸能量随着长径比的减小而增强，随着夹角的增大而增强。