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1. 导读

互穿相复合材料（IPCs）是一种增强相与基体两相协同作用的结构/功能一体化优良载体，具有低密度、高比表面积，优良比强度、比刚度等一系列优良特性，在航空航天、汽车、和医学等领域具有广泛的应用前景。然而，两相结构的功能特性与结构模型存在复杂的耦合关系，导致结构设计的复杂度上升。所以，需要进一步研究复合材料的结构优化方法，实现对功能特性的调控，以满足复杂工程的应用。

拓扑优化和增材制造作为调控两相材料结构和设计的有效手段，随着计算机技术的快速发展，已成为现在研究的重点领域。例如，与基于桁架的蜂窝材料相比，基于TPMS的蜂窝材料已被证明具有机械效率，这是由于其光滑和规则的拓扑结构，导致了较低的局部应力集中，从而有效地传递荷载。因此，有必要把类似设计方案延伸到IPCs中，丰富复相材料的拓扑结构和设计方法，增强设计结构的多样性，释放其工程应用潜力。

为了精确地控制自旋节分解的两相拓扑结构，加利福尼亚大学Yunfei Zhang等人在《Composite Structures》期刊发表了题为“Mechanical Performance of 3D Printed Interpenetrating Phase Composites with Spinodal Topologies”的文章，文中提出了自旋节壳基IPCs复合材料的优化设计方法。结合本AM中多材料喷射方法打印材料，研究了轴向壳增强互穿相复合材料的力学性能，重点研究了非线性变形下的刚度、屈服强度和能量吸收。

2. 内容

2.1 材料和方法

（1）旋转晶格结构的选择

图1. 在30%体积约束下，λ/L=1/8，λ/L=1/5和λ/L=1/3的胞壳材料

（2）旋节线壳拓扑

从50%体积约束下的旋节实体拓扑中提取的旋节壳拓扑在整个壳中具有负高斯曲率，平均曲率处接近于零，从而接近TPMSs的几何特性。通过固体旋节拓扑表面，可以得到具有非零平均曲率的旋节壳拓扑，但以往的研究表明，它们的力学性能较低。因此，在这项工作中，我们把注意力限制在平均曲率接近于零的自旋轴壳拓扑上，如图1。

图2.数值产生旋转壳增强IPCs材料的方法示意图

（3）拓扑IPCs架构的数字生成

在生成增强型拓扑结构之后，此模型被导入反向工程软件Geomagic Design X。在产生合适的壳厚和棒材直径以获得所需的增强相体积分数后，每个CAD模型从相同尺寸的立方体中减去一个布尔切割操作，以创建互补矩阵阶段。最后将CAD文件转换为STL文件，并传输到3D打印机控制软件GrabCAD中，如图3。

图3. IPC的拓扑结构：（a）增强相；（b）基质相；（c）互交叉复合材料；（d）3D打印样品

所有样品都是由PolyJet 3D打印机(Objet260 Connex3, Stratasys)制造的，该打印机同时允许打印3种不同的材料，通过在任意位置混合适当数量的3种成分材料获得中间配方。IPCs中的强化相是用VeroWhitePlus（一种玻璃状光聚合物）打印的，而软基质相是用Agilus30（一种橡胶聚合物）打印的。所有样品都是30× 30×30mm的立方体。通过用支撑材料替换Agilus 30打印选定的增强相蜂窝材料，随后用水喷射去除支撑材料。所有样品在室温下固化4天。

图4. AM的工艺参数和PLA的材料性能

2.2 结果和讨论

2.1.1 组成材料的力学性能

数据表明，增强相材料比基体相材料的刚度大约高出三个数量级；因此，可以预期，在复合材料试样中，增强相阶段将承担绝大部分的荷载。基体相比强化相软三个数量级，对变形机制和损伤演化仍起着重要作用。我们将这种尺寸效应的缺乏归因于这样一个事实，即无论特征尺寸大小，所有的样品都经历了相似的固化程度，因为基质和增强相是在完全致密的样品中同时打印的，而且所有样品的尺寸都是相同的。所以，在对IPCs材料力学性能进行分析时，尺寸对材料性能的影响可以忽略不计。

图5. 拉伸和压缩试样的应力应变曲线（a）树脂材料；（b）Agilus30材料

2.1.2固体和壳层增强拓扑的区别

图6和图7表明，具有旋轴壳增强拓扑结构的IPCs在所有指标上都具有优势，在增强体体积分数较低时，优势显著增加，其中，具有近零平均曲率和负高斯曲率的薄壳主要表现为的拉伸主导方式和均匀变形，应力强度很小。随着Vf的增加，固体和壳层的轴突增强拓扑的差异变得模糊，两种IPCs的性质趋于收敛。考虑到具有旋振壳筋拓扑结构具有一致的优良力学响应，因此没有对具有旋振实体筋拓扑结构的混凝土结构进行进一步研究。

图6. 由旋转壳和旋转固体增强IPCs复合材料的机械响应对比（a，b）压缩应力应变曲线；（c）杨氏模量和屈服强度；（d）能量吸收

图7. IPCs复合材料的力学响应.(a-c)不同载荷下不同晶格的应力应变曲线；（d-f）不同体积分数下的应力应变曲线

2.1.3旋节拓扑壳结构的优势

图8可知，在高体积分数的强化下，八隅体晶格复合材料和旋转壳复合材料比自旋轴线复合材料 IPCs经历更多的局部灾难性失效。

图8.在50%体积分数、压缩到50%应变下，不同增强相拓扑的IPCs的力学响应。(a)应力应变曲线；(b)自旋线复合材料；(c) 旋转壳复合材料；(d)八隅体晶格复合材料

图9可知，随着循环加载的进行，三种拓扑结构在压缩阶段均表现出越来越明显的断裂。结果表明，两种周期性复合材料的承载能力均降低，而复合材料的应力应变曲线基本不受影响。

图9. 体积分数50%时，对不同增强拓扑结构的样品的循环压缩试验。所有样品压缩至10%应变3个周期。(a)八隅体晶格复合材料；(b) Schwartz P壳复合材料；(c) Spinodal 壳复合材料

为了更好地理解材料变形和破坏行为的差异，在增强相体积分数Vf=30%的情况下对三种加固拓扑的IPCs进行了有限元分析。如图10所示，计算预测的应力应变响应与实验结果吻合良好，很好地捕捉了初始刚度、屈服和极限强度以及破坏后行为。

图10. 压缩模型实验结果与仿真结果的比较。(a-c)体积分数为30%时，试验与模拟应力应变曲线对比；(g-i)在15%应变下压缩阶段的von Mises应力图

3. 小结

采用实验和数值方法研究了具有随机轴向拓扑结构的互穿相复合材料的力学响应。采用打印技术制备了模型聚合物体系，增强相采用旋转壳的拓扑结构，剩余体积由较软的基体填充。结果表明，与两种建立良好的周期性增强材料(Schwarz P周期 (TPMS)和八面体桁架晶格)的IPCs相比，旋转壳的拓扑 IPCs具有较强的抗压强度和刚度，同时显示出更少的破坏和更大的抗损伤性。特别是在增强相体积分数较高时。高刚度、高强度的组合，使旋转壳的拓扑 IPCs成为有希望的能量吸收和冲击防护应用的候选人，在这种应用中，材料在大压缩应变下缺乏软化，可以防止突然坍塌；对这种先进的基于旋节壳的IPCs进行演示和表征将是未来研究的主题。

原始文献：Zhang, Yunfei, Meng-Ting Hsieh, and Lorenzo Valdevit. Mechanical Performance of 3D Printed Interpenetrating Phase Composites with Spinodal Topologies. Composite Structures 263 (2021). .