清华x北理工：3D打印陶瓷晶格结构的失效机理

本文分享3D打印陶瓷晶格结构失效机理的有关最新研究。

各位AM易道的读者朋友们，今天我们分享关于陶瓷3D打印的科研成果。

北京理工大学和清华大学的联合研究团队在3D打印陶瓷晶格结构领域取得了突破，他们不仅成功制造出了轻质高强的氧化铝陶瓷晶格结构，更重要的是，他们揭示了这种新型材料的失效机理。

这项研究为我们理解和优化3D打印陶瓷结构的性能提供了宝贵的见解，有望推动航空航天、国防等高端制造领域的技术革新。

让我们一起来解密这项研究，看看研究团队是如何通过创新设计和先进表征技术，揭示陶瓷3D打印背后的奥秘。

揭秘轻质高强陶瓷晶格结构的失效机理

在材料科学领域，理解材料的失效机理一直是研究者们追求的重要目标。特别是对于新型的轻质高强材料，了解其在极端条件下的行为和失效过程，对于推动材料在航空航天等尖端领域的应用至关重要。

研究团队巧妙地将光固化3D打印技术与陶瓷材料结合，设计出了一种新颖的体心四方（BCT）晶格结构。

这种结构不仅能大幅减轻重量，还能保持优异的机械性能。

更重要的是，通过精心设计的实验和表征方法，研究团队成功揭示了这种结构在压力下的失效过程和机理。

创新设计：体心四方晶格结构的优势

研究团队选择BCT结构并非偶然。

这种结构源自体心立方（BCC）结构，但通过调整支撑杆的角度，实现了更优的力学性能。

上图详细展示了BCT晶格结构的设计细节。

从图(a)可以看到整体的BCT单元结构，图(b-g)则展示了支撑杆的几何特征和尺寸关系。

这种精心设计的结构允许研究人员通过调整支撑杆角度ω来优化晶格结构的力学性能。

为了深入研究角度对性能的影响，团队设计了三种不同角度（30°、45°和60°）的BCT结构。

通过理论计算和实验验证，他们发现随着角度的增加，晶格结构的承载能力和能量吸收性能都有显著提升。

下表中列出了不同角度BCT结构的具体参数，为后续的实验和分析奠定了基础。

通过实验和模拟，研究团队发现随着支撑杆角度的增加，BCT陶瓷晶格结构的承载能力和能量吸收性能都有显著提升。具体来说：

1. 当支撑杆角度为30°时，结构的承载强度为1.47 ± 0.11 MPa。

2. 当角度增加到45°时，承载强度提高到2.38 ± 0.13 MPa。

3. 当角度达到60°时，承载强度进一步提升至3.46 ± 0.08 MPa。
   
   

同时，比能量吸收（Specific Energy Absorption, SEA）也随角度增加而提高：

1. 30°结构的SEA为41.9 ± 4.94 kJ/m³。

2. 45°结构的SEA增加到49.85 ± 3.76 kJ/m³。

3. 60°结构的SEA达到最高，为56.96 ± 4.52 kJ/m³。
   
   

这些数据清楚地展示了支撑杆角度对结构性能的显著影响。

光固化3D打印：精准塑造复杂结构的利器

光固化3D打印，也称为光聚合3D打印，它的工作原理是利用紫外光或可见光使光敏树脂固化成型。

在这项研究中，研究人员将氧化铝粉末与光敏树脂混合，制成了特殊的陶瓷浆料。

这种浆料是整个制造过程的关键。它必须具备良好的流动性，以确保打印过程的顺利进行；

同时还要有足够高的固体含量，以保证最终产品的性能。

研究团队经过反复试验和优化，成功配制出了一种固体含量高达50%的陶瓷浆料。

接下来，研究人员使用光固化3D打印设备，将这种浆料一层层打印成所设计的BCT晶格结构。

打印过程中，每一层的厚度精确控制在100微米。

打印完成后，还需要经过脱脂和烧结两个步骤，最终得到纯陶瓷晶格结构。

上图展示了不同角度（30°、45°和60°）的BCT氧化铝陶瓷晶格结构。

从图(a1, b1, c1)可以看到烧结后的成品，而图(a2, b2, c2)则展示了打印后的毛坯。

这些图片直观地展示了3D打印技术在复杂结构制造中的精确性和可控性。值得注意的是，从宏观和微观角度观察：

这些结构表面都没有明显的裂纹或缺陷，证明了制造过程的高质量。

然而，支撑杆表面可以观察到层层堆积形成的沟槽结构，这可能会影响结构的性能，需要在未来的研究中进一步优化。

深入剖析：从宏观到微观的全方位表征

为了全面了解这种新型材料的性能和失效机理，研究团队进行了一系列详尽的表征分析。

首先，他们利用电子万能试验机进行了常规压缩测试，同时配合数字图像相关（DIC）系统实时记录样品变形过程。

这种方法让研究人员能够直观地观察到晶格结构在压力下的变形和破坏过程。

上图展示了压缩测试的实验装置，包括DIC系统的设置（图a）和原位X-CT压缩测试系统（图b-d）。这种综合的测试方法为研究人员提供了丰富的数据，帮助他们深入理解材料的力学行为。

上图则详细展示了不同角度BCT结构的应力-应变曲线和变形过程。

从图(a, b)可以看到30°结构的变形过程，图(c, d)展示了45°结构的行为，而图(e, f)则是60°结构的表现。

这些数据揭示了随着角度增加，结构的承载能力显著提升，同时失效模式也发生了变化。

上图进一步展示了失效后BCT结构的宏观形貌。

从图(a-c)可以看到30°结构的失效特征，图(d-f)展示了45°结构的断裂形态，而图（g-h)则展示了60°结构的失效模式。

这些观察结果表明，随着角度增加，应力集中区域从节点逐渐扩展到支撑杆中部，导致失效模式发生变化。

为了更深入地了解失效机理，研究团队还对断裂表面进行了微观分析。

上图展示了不同角度结构的单支撑杆和双支撑杆节点的断裂微观形貌。

这些微观观察结果进一步证实了随角度增加，应力集中点从节点逐渐扩展到支撑杆的现象，同时也揭示了一些内部缺陷（如裂纹和孔洞）可能对结构失效产生的影响。

团队还进行了原位X射线计算机断层扫描（X-CT）压缩测试。这项尖端技术允许研究人员在材料承受压力的同时，实时观察其内部结构的变化。

上图展示了45°BCT结构的X-CT重建图像，清晰地显示了结构内部的孔隙等缺陷。

上图则展示了原位压缩测试过程中结构的演变，包括载荷-位移曲线（图a）、特征缺陷体积随应变的变化（图b）以及不同应变下的X-CT重建图像（图c-f）。

这些结果不仅揭示了裂纹的起始和扩展过程，还展示了局部缺陷如何导致整体结构失效。

数值模拟：揭示力学行为的内在规律

为了进一步验证实验结果并预测材料在不同条件下的表现，研究团队还进行了详细的有限元分析（FEM）。他们使用ABAQUS软件，结合"Brittle Cracking"和Johnson-Holmquist（JH-2）模型，精确模拟了陶瓷晶格结构在压力下的行为。

上图展示了压缩模拟模型（图a）、不同角度BCT结构的应力-应变曲线（图b）以及实验和模拟得到的压缩强度对比（图c）。

模拟结果与实验数据高度吻合，这不仅验证了实验的可靠性，还为优化设计提供了重要依据。

下图进一步展示了不同应变下BCT结构的失效过程和应力分布。

这些模拟结果清晰地展示了应力在晶格结构中的分布情况，帮助研究人员深入理解了结构的失效机理。

随着角度的增加，应力逐渐从节点扩展到支撑杆，这与实验观察结果高度一致。

失效机理的揭示：从节点到支撑杆的转变

通过综合分析实验和模拟结果，研究团队成功揭示了BCT陶瓷晶格结构的失效机理。

他们发现，随着支撑杆角度的增加，失效模式经历了从节点弯曲失效到支撑杆屈曲失效的转变。

对于小角度（30°）结构，应力主要集中在节点处，导致节点处的弯曲应力超过材料强度限制，从而引发失效。

随着角度增加到45°，应力集中区域开始向支撑杆扩展，出现了节点弯曲和支撑杆屈曲的混合失效模式。

当角度达到60°时，支撑杆承受的轴向应力显著增加，屈曲失效成为主要失效模式。

这种失效机理的转变解释了为什么大角度结构具有更高的承载能力和能量吸收性能。

通过调整角度，可以优化应力分布，使结构更充分地利用材料的强度，从而提高整体性能。

潜在应用：从实验室到工业化的跨越

AM易道认为，这项对失效机理的深入研究不仅具有重要的学术价值，更为设计和优化高性能轻质材料提供了关键指导。

基于这些发现，研究人员可以进一步优化晶格结构设计，开发出性能更优异的材料。

在航空航天领域，理解材料的失效机理对于设计安全、可靠的结构部件至关重要。

这项研究的成果可能被用于开发新一代的轻质高强度航空材料，显著提高飞行器的性能和安全性。

在国防工业中，对材料失效行为的深入了解可以帮助开发更先进的防护装备和武器系统。

例如，利用这种陶瓷晶格结构的特性，可能设计出更有效的装甲材料或抗冲击结构。

未来的研究方向可能包括：

• 进一步探索不同几何参数对失效行为的影响，如支撑杆直径、节点设计等。

• 研究环境因素（如温度、湿度）对失效机理的影响，以满足更广泛的应用需求。

• 开发智能优化算法，基于失效机理自动设计最优晶格结构。

• 探索多材料复合晶格结构，进一步提高材料的综合性能。

  
  

写在最后 

这项研究不仅揭示了3D打印陶瓷晶格结构的失效机理，也为我们展示了材料科学、先进制造技术和计算模拟的强大结合。

通过深入理解失效行为，研究团队为设计和制造下一代轻质高强材料铺平了道路。

随着这些发现被进一步应用和发展，我们可以期待看到更多创新的轻质高强材料在航空航天、国防和其他高科技领域大放异彩。

对本研究有兴趣的读者请自行根据以下信息查阅原文。

参考文献：Zhang, K., Zhang, X., Meng, Q., Zhang, B., Qu, Z., & He, R. (2024). Failure Behavior and Mechanism of Vat Photopolymerization Additively Manufactured Al2O3 Ceramic Lattice Structures. Additive Manufacturing Frontiers, 200172. https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200172