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陶瓷TPMS结构力学性能揭秘

更新时间: 2024-12-13 16:57:25  查看次数: 23    
陶瓷的力学表现和应变速率、材料类型以及烧结工艺有很紧密的联系。这次实验里,加载的方向和打印方向是一样的,压缩变形的速度是 0.2 毫米每分钟,这可以算是一个准静态的实验。用的材料是氧化锆,对它进行测试,目的是搞清楚它的力学反应,还会用得到的应力 - 应变曲线来校准计算时用的本构模型。在压缩加载的情况下,试件会一直被测试到开裂为止。有四种不同的 TPMS,它们更改壁厚之后得到了应力应变曲线图,每一张图上都标了相对密度 ρ。从图里能看出来,当壁厚从 0.10 毫米增加到 0.20 毫米的时候,每个模型的抗压强度也跟着增加了。每一条曲线一开始都比较平滑,等应力达到最高值以后,就开始出现锯齿状了。这是因为样品变得致密了,烧结后的样品或多或少都有一些空隙,在十字头压缩的时候,样品就开始出现裂纹,反映在应力应变曲线上就是出现锯齿状。用 TPMS 结构优化后的氧化锆,它的变形能力可以允许大于 10%,有些像 iwp 和 diamond 结构的,甚至能达到 20%。
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pcell 结构的抗压强度和变形能力都不太好,抗压强度还不到 6MPa。Iwp、diamond、neovius 这三种结构的抗压强度都能达到 40MPa,其中 neovius 的抗压强度能达到 45MPa。从图上能看出这四种模型的力学行为有点相似。从拟合结果来看,pcell 结构的抗压强度受相对密度的影响比较小,差不多是线性关系,iwp 和 diamond 结构的拟合结果接近二次曲线,从相似的指数值能看出来这两种结构的力学行为差不多。
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Neovius 结构的抗压强度受相对密度的影响比较大,这就意味着在高密度区域(大于 0.3),neovius 的机械性能更好。虽然一种样品只有三个测试数据点,但是回归系数还是在能接受的范围内,这说明这些数据还是有一定说服力的。这里还发现一个有意思的现象,在低密度区域,pcell 好像更有优势,所以 pcell 更适合用在轻量化设计里。在相对密度差不多的情况下,pcell 的抗压强度是最差的,其他三个结构的机械性能比较相似。
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Neovius 不同单胞数堆叠组成的样品,在准静态模式下的应力应变曲线显示,在相对密度为 22%左右的时候,neovius 的抗压强度能达到 25MPa。从图里还能看出来,变形量大的样品,应力应变曲线上出现的锯齿状就越多,这是因为应力集中后裂纹慢慢扩散造成的。在裂纹扩散的过程中,样品受力的面积越大,裂纹扩散到边缘需要破坏的单胞数就越多,这样就形成了锯齿状。 
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