《Composite Structures》：Architected aluminum-polymer interpenetrating phase composites with tunable impact and thermal response attributes
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本研究通过混合选择性激光烧结和浸渍工艺制备了具有 strut、TPMS 和随机拓扑结构的铝-聚合物IPCs，评估了不同应变率（0.001-400 s?1）下的力学性能与热导率。结果表明，strut和随机拓扑结构在保持高动态压缩强度（250-290 MPa）和比吸能（26-30 J/g）的同时，热导率比TPMS结构低40%以上。开发出非线性幂律Ashby模型，可有效预测材料的多尺度力学性能。该研究为多功能复合材料的拓扑与相分布设计提供了新框架。
作者：Qinze Song、Agyapal Singh、Marco Peroni、Nikolaos Karathanasopoulos
所属机构：纽约大学工程系，阿拉伯联合酋长国阿布扎比分校
摘要
本文研究的互穿相复合材料（IPCs）为开发兼具高机械强度和定制热传导性能的多功能材料提供了新途径。通过分析增强拓扑结构与相成分对铝基聚合物IPCs的冲击响应速率依赖性及导热性能的影响，发现这两种因素起着关键作用。研究人员采用混合选择性激光烧结与渗透工艺制备了不同类型的增强结构IPCs（包括杆状结构、TPMS结构及随机增强结构），并测试了其在准静态至高冲击速率（0.001、400 s?1）范围内的力学性能、强度及能量吸收能力。同时计算了这些复合材料的有效导热系数。研究结果表明，增强结构与相成分的选取会显著影响其热机械性能：杆状和随机增强结构的导热系数比TPMS结构低40%左右，但在动态压缩冲击强度方面仍具有竞争力（250–290 MPa），远高于静态测试结果；此外，这些材料的比能量吸收值也较高（26–30 J/g）。基于非线性幂律的Ashby模型能够准确预测这些复合材料的力学性能。
引言
随着增材制造与混合制造技术的进步，人们能够以前所未有的精度控制材料的微观结构、成分组合及分布，从而开发出具有多重功能的新材料[1]、[2]、[3]、[4]。其中，互穿相复合材料（IPCs）作为一种新型材料，通过空间上的多材料交织实现了高效的载荷传递、抗裂纹扩展能力以及各相之间的相互作用，使其机械、热学及功能性能超越传统整体或颗粒基复合材料的局限[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。
迄今为止，已探索了多种材料组合，包括金属-陶瓷、金属-金属、陶瓷-聚合物以及聚合物-聚合物类型的IPCs[11]、[12]、[13]。不同组合具有各自的优势：金属-陶瓷IPCs具有优异的机械刚性、强度[14]、[16]、[17]、[18]和硬度[19]、[20]；而金属-金属IPCs则展现出更优越的机械[25]、[26]、[27]、[28]、电学[26]、[27]、[28]及导热性能[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。尽管聚合物-聚合物IPCs的强度相对较低，但其在高应变率下仍具有较高的延展性[39]、[40]以及良好的阻尼性能[41]、[42]。然而，选择合适的内部材料组合往往需要在刚性、韧性、重量和可制造性之间做出权衡，因此实现最佳的多功能性能仍具有挑战性[6]、[7]。
IPCs的多功能性能很大程度上取决于其内部相结构与连接方式，这些因素直接影响应力传递与能量耗散过程[43]、[44]。目前研究过的结构类型包括泡沫[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、基于杆状结构的IPCs[50]、[51]、三周期最小表面（TPMS）[14]、[15]、[16]、[28]、[29]、[30]、[31]、[52]，以及非周期性或随机增强结构[18]、[53]，这些结构采用了多种基础材料组合。基于杆状结构的晶格设计（如拉伸主导的桁架或Voronoi镶嵌）可实现刚性和能量吸收的方向性调节[23]、[26]、[48]、[54]；而TPMS结构（如gyroids和Schwarz原语）则通过数学上平滑的曲率控制网络实现载荷传递的优化，从而同时提升强度和抗损伤能力[55]、[56]、[57]、[58]。几何形状与材料选择的协同作用是精细调节IPCs性能的关键因素，例如增强强度[59]、[60]、提高韧性及抗损伤能力[35]、增强应变率敏感性和抗冲击性[35]，以及提升阻尼或能量吸收能力[36]、[40]。最新研究还表明，TPMS、自旋涡结构和非周期性结构进一步拓展了IPCs的多功能特性。
在各种材料组合中，金属-聚合物和陶瓷-聚合物IPCs因结合了金属/陶瓷相的高刚性、高强度与聚合物的轻质、高能量吸收及优异延展性而受到广泛关注，适用于航空航天结构部件、软体机器人及热管理系统等多种应用[61]、[62]、[63]。近年来，基于泡沫的金属-聚合物IPCs因连续多孔网络而受到重视，这种网络能有效增强结构强度[63]、[64]、[65]、[66]、[67]、[68]、[69]。然而，泡沫结构的随机性限制了对其局部几何形态、相分布及载荷传递路径的控制[70]、[71]、[72]。因此，含有周期性、辅助性、TPMS或可控非周期性增强相（如随机和自旋涡结构[73]、[74]、[75]、[76]、[77]）的IPCs受到了越来越多的关注。这类结构有助于精确控制内部拓扑、相对密度分布及相间连接[68]。与泡沫相比，IPCs能够系统性地调节变形行为、强度及能量耗散，使其成为高性能承重复合材料的理想候选材料[78]。
尽管金属-聚合物IPCs在静态性能上具有优势，但其在高应变率冲击载荷下的力学响应仍缺乏系统研究[73]、[76]。特别是拓扑结构与材料相分布对冲击能量缓解及热源控制的影响尚未得到充分量化。金属与聚合物的不同力学特性（如不同的塑性变形行为和应变率敏感性）给设计带来了挑战[73]、[74]、[75]、[76]、[77]。目前缺乏系统性的对比研究，难以建立可靠的设计原则以实现IPCs的承载能力和冲击缓解性能[6]、[7]。
本研究重点探讨了具有杆状（体心立方BCC）、TPMS（Gyroid和I-WP）及随机（自旋涡SP）拓扑结构的铝基聚合物IPCs的冲击响应与热能耗散特性。在不同动态载荷条件下（包括静态、中等和高载荷速率）对其力学性能进行了评估，包括弹性模量、比强度和比能量吸收等关键指标，并建立了基于多项式的预测模型以揭示内部结构与性能之间的关系，同时计算了其有效导热系数，从而全面评估了其热机械响应。
设计与增材制造
本文设计了具有多种增强相结构的金属-聚合物IPCs，包括体心立方（BCC）、Gyroid（GY）、Schoen包裹结构（IWP）和自旋涡（SP）拓扑，以及基于杆状结构和三周期最小表面（TPMS）的随机增强结构。增强相的拓扑设计如下所示[79]、[80]、[81]：
