同濟大學李巖、楊偉東、王鵬團隊：3D打印復(fù)合材料力學性能的不確定量化與強化設(shè)計

來源：同濟大學航空航天與力學學院

3D打印聚合物基復(fù)合材料憑借輕量化、高強度和可定制等優(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)致成型件力學性能具有顯著分散性；同時，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，同濟大學航空航天與力學學院李巖教授團隊提出了一種多尺度的貝葉斯方法，實現(xiàn)了3D打印連續(xù)纖維增強復(fù)合材料宏觀力學性能與微結(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)合材料的宏觀力學性能和微結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性。該概率方法實現(xiàn)了3D打印連續(xù)纖維增強復(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，研究團隊受B-O動態(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，在保持極限強度不變的前提下實現(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)異延展性及良好強度-延展性平衡。該材料同時具備出色的熱穩(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。上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃重點專項的資助。