南航顧冬冬教授團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)芯拓撲結(jié)構(gòu)難以同時實現(xiàn)優(yōu)異機械性能與多功能性。南京航空航天大學顧冬冬教授團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)。通過實驗與有限元模擬結(jié)合，探究該結(jié)構(gòu)的成形性、力學性能、變形行為及熱傳導性能。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測試機進行壓縮試驗，測量壓縮力-位移曲線、極限強度、比強度、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)比強度達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。

通過實驗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，并與實驗對比。結(jié)果表明，模擬與實驗一致，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)果與壓縮實驗。  

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

圖6. 各結(jié)構(gòu)的熱傳導性能。

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

圖7. 四種仿生夾層結(jié)構(gòu)的熱傳導模式示意圖。

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，評估了壓縮極限強度、比強度、能量吸收等力學性能，還研究了壓縮變形行為及熱傳導性能與模式。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度和比強度，其中D1.9結(jié)構(gòu)綜合力學性能最優(yōu)；內(nèi)管增加內(nèi)部傳導路徑，使D1.4、D1.9和D2.4結(jié)構(gòu)熱導率高于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。