三维壁厚梯度调控金刚石三周期极小曲面点阵结构的力学性能与失效行为

《Advanced Engineering Materials》：Engineering Deformation and Failure in Diamond Triply Periodic Minimal Surface Lattices via 3D Wall-Thickness Grading

本文系统研究了通过电子束粉末床熔融（PBF-EB）技术制备的壁厚三维梯度金刚石三周期极小曲面（TPMS）点阵结构。研究揭示了不同梯度模式（垂直、对角、交叉、核心）对Ti6Al4V材料结构的形态特征、压缩力学响应及变形失效机制的显著影响。结果表明，通过精确设计壁厚梯度分布，可有效调控结构的准弹性梯度（E）、第一最大压缩强度（FMCS）、平台应力（σpl）及能量吸收（W50）等关键性能参数，为实现轻量化、高能量吸收及可定制力学性能的多孔结构设计提供了新策略。

　　

1 引言

点阵结构广泛存在于自然界和工程材料中，其特点是轻质高强、优异的能量吸收能力和可调的热学声学性能。基于三周期极小曲面（TPMS）的点阵结构因其无尖锐角、曲率连续的特点，相较于梁基结构具有更优的力学性能。金刚石TPMS结构作为表面基点阵的代表，其力学响应主要受控于引导曲面几何和壁厚。传统研究多聚焦于均匀壁厚结构，而本研究则创新性地探索了三维壁厚梯度（包括垂直、对角、交叉和核心四种模式）对金刚石TPMS结构力学行为和变形失效的调控作用。

2 方法论

2.1 结构设计

研究以Swartz金刚石TPMS曲面为基础，通过水平集方程定义单元结构。样品总体尺寸为20 × 20 × 30 mm，由2×2×3个单元细胞重复排列构成。壁厚在最小厚度（t_min= 0.7 mm）和最大厚度（t_max= 1.4 mm）之间按特定模式线性渐变，设计了四种梯度模式（垂直V、对角D、交叉X、核心C）及其变体（如DV1表示垂直梯度，起始面厚度为0.7 mm），并与均匀壁厚结构（DUT1, DUT2）进行对比。

2.2 制造与表征

样品采用电子束粉末床熔融（PBF-EB）技术使用Ti6Al4V粉末制造。通过计算机断层扫描（CT）对成型样品的实际体积、内部孔隙率和壁厚分布进行精确测量。结果表明，所有样品内部孔隙率极低（<0.002%），但实际尺寸普遍小于设计值，且壁厚分布较设计更宽，存在材料在节点处堆积的现象。

2.3 力学性能表征

通过准静态压缩试验结合数字图像相关（DIC）技术，系统评估了各结构的应力-应变曲线、准弹性梯度（E）、第一最大压缩强度（FMCS）、平台应力（σ_pl）、压缩偏移应力（σ_c）以及在50%应变下的能量吸收（W₅₀）等参数。为公平比较，刚度（E）和强度（FMCS）均按单位质量进行了归一化处理（E_spec, FMCS_spec）。

2.4 表面形貌与断口分析

利用扫描电子显微镜（SEM）对代表性样品（如DD1）的断裂表面进行观察，分析了其断裂模式。

3 结果

3.1 形态表征

CT分析显示，实际壁厚普遍小于设计值，偏差随相对密度增加而增大（-1.5% 至 -8.1%）。壁厚分布呈现右偏，表明节点处存在材料增厚。梯度结构的壁厚分布介于两种均匀壁厚结构之间。

3.2 力学性能与变形失效机制

压缩测试和DIC分析揭示了不同梯度模式的独特力学响应：

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  均匀厚度结构（DUT）：DUT1（薄壁）呈现层状失效和剪切带；DUT2（厚壁）因载荷过高未完成测试，但表现出更均匀的应变分布。
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  核心梯度结构（DC）：DC1（薄核心）出现桶形变形和向下传播的剪切带；DC2（厚核心）变形更均匀，失效向上传播，具有更稳定的平台区。
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  对角梯度结构（DD）：DD1（薄对角）在达到FMCS后发生脆性断裂，沿对角线分离；DD2（厚对角）则表现出渐进式失效和结构旋转，能量吸收更优。
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  垂直梯度结构（DV）：DV1（中间薄）失效始于中心薄层，呈层状渐进失效；DV2（两端薄）失效始于上端低密度区，变形更均匀，能量吸收能力翻倍。
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  交叉梯度结构（DX）：DX1（薄交叉）表现为沿对角线脆性断裂；DX2（厚交叉）失效始于上三角区，随后层状变形，具有高能量吸收（W₅₀达80.7 MJ m^-3）和高的归一化性能参数。

DIC应变场分析表明，应变集中区域与曲面取向密切相关，竖直曲面主要承受压应变，水平曲面则与拉应变区相关。失效通常始于相对密度较低的区域。

断口分析显示DD1样品呈现韧脆混合断裂模式，存在光滑小面和韧窝。

能量吸收分析表明，具有渐进失效模式的结构（如DV2, DX2）能量吸收能力更强。能量吸收效率（η(ε)）曲线显示不同结构在不同应变阶段的效率差异，峰值对应致密化开始。

性能比较显示，壁厚梯度模式对力学性能的影响超越了整体相对密度的作用。例如，低密度的DC2与较高密度的DV2具有相近的比能量吸收（SEA），但DC2刚度更高。梯度设计可以实现刚度、强度和能量吸收之间的平衡优化。

4 结论

本研究证实，通过三维壁厚梯度设计可以有效调控金刚石TPMS点阵结构的力学响应和失效行为。梯度模式而非整体密度是主导因素。例如，具有厚核心（DC2）或厚交叉（DX2）的结构适合需要高能量吸收和可控变形的应用（如夹层板芯材）；而具有薄对角（DD1, DX1）的结构则适用于需要清洁断裂、无碎屑的应用场景（如机械保险丝、一次性医疗器械）。该研究为设计具有定制化力学性能的轻质高强多功能点阵材料提供了重要的理论依据和实践指导。