3D打印手風(fēng)琴狀材料：實(shí)現(xiàn)超拉伸性的設(shè)計(jì)途徑

來源：高分子材料力學(xué)性能

可伸縮材料被廣泛應(yīng)用于軟機(jī)器人、電子設(shè)備等領(lǐng)域。為了設(shè)計(jì)出能夠經(jīng)受大變形的耐用結(jié)構(gòu)，需要提升可伸縮材料的拉伸性能以及抗損傷能力。利用現(xiàn)有增材制造(3D打印)技術(shù)可設(shè)計(jì)制造具有復(fù)雜幾何形狀的構(gòu)件，引入內(nèi)部結(jié)構(gòu)可調(diào)控材料的整體力學(xué)性能(如剛度、強(qiáng)度、韌性)。

麥吉爾大學(xué)A. H. Akbarzadeh教授團(tuán)隊(duì)通過引入一種手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了脆性聚合物延展性的增強(qiáng)。首先，研究人員設(shè)計(jì)了多個(gè)體系結(jié)構(gòu)(如圖1、圖2所示，包括傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)、凹角結(jié)構(gòu)、箭頭結(jié)構(gòu)和正弦手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu))，通過立體光刻(SLA)和熔融沉積成型(FDM)制作了對應(yīng)的甲基丙烯酸酯聚合物試樣(脆性)和尼龍?jiān)嚇?柔性)，并進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)來評估不同試樣的拉伸性能。為了更好地理解不同結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸下的變形機(jī)制，進(jìn)行了有限元分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(如圖3所示)，脆性聚合物材料通過改變手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)的正弦周期(n值)，可以調(diào)控結(jié)構(gòu)的整體剛度。較大的n值可以獲得更高延展性，在相同質(zhì)量的情況下，n為3的手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)的破壞應(yīng)變可達(dá)傳統(tǒng)蜂巢結(jié)構(gòu)的20倍。柔性尼龍材料(如圖4所示)在一定應(yīng)力范圍(±1.3MPa)內(nèi)經(jīng)受拉壓循環(huán)加載時(shí)，正弦手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)的能量耗散遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)，手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)在抵抗循環(huán)載荷破壞時(shí)具有一定優(yōu)勢。仿真結(jié)果也表明，正弦形單元細(xì)胞可以有效地降低結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力。

該研究從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，詳細(xì)地討論了蜂窩結(jié)構(gòu)和手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)等內(nèi)部特征對材料拉伸性能的影響。所設(shè)計(jì)的手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了脆性聚合物拉伸性能大幅提升，對于材料高延展性工程應(yīng)用有重要意義。該研究雖然從實(shí)驗(yàn)和仿真角度驗(yàn)證了正弦周期較大的手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)具有更好的拉伸性能，但并未充分討論結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對拉伸性能的作用機(jī)理，后續(xù)研究可繼續(xù)深入。具有較大正弦周期的手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)可提高其拉伸時(shí)的能量耗散，那么這類波浪形結(jié)構(gòu)是否能夠提高3D材料的斷裂能從而起到增強(qiáng)韌性的作用，值得實(shí)驗(yàn)和理論驗(yàn)證。

圖1蜂窩狀六邊形、凹角和箭頭結(jié)構(gòu)的單元細(xì)胞(每個(gè)單元總長度和高度相等)。

圖2 用于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，(a) 箭頭結(jié)構(gòu)鑲嵌細(xì)胞材料，(b) 箭頭形和正弦手風(fēng)琴狀單元細(xì)胞，(c) 不同周期的正弦手風(fēng)琴狀單元細(xì)胞。

圖3 不同打印結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，(a) 傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)、凹角結(jié)構(gòu)和箭頭結(jié)構(gòu)，(b) 不同正弦周期的手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)。

圖4 3D打印結(jié)構(gòu)在連續(xù)拉伸和壓縮時(shí)的能量耗散。

該研究論文以“3D printed accordion-like materials: A design route to achieve ultrastretchability”為題發(fā)表在《Additive Manufacturing》。

全文鏈接：10.1016/j.addma.2020.101215