学术前沿 | 激光粉末床融合制备的基于板的AlSi10Mg超材料机械性能和能量吸收能力

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-04-25 21:15

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基板开孔格构式开孔铝硅镁合金超材料是一种新兴的机械超材料类别，具有卓越的机械性能。本文采用激光粉末床融合（LPBF）技术制备了不同相对密度的基于板块的SCFCC超材料。在非承重面上，设计了并放置了用于去除残留粉末的圆形孔。本文通过进行准静态压缩实验和数值模拟，研究了其机械性能和变形机制。结果表明，当孔径为0.9mm时，孔的存在会使SCFCC超材料的弹性模量下降3.5%，而增大孔径对弹性模量的影响可忽略不计。新型基于板块的SCFCC结构在传统的高刚度桁架和壳结构中表现出优越的机械性能和增强的能量吸收能力。当相对密度从0.2增加到0.5时，基于板块的SCFCC超材料仍保持优越的机械性能，而由于结构特征的丧失，SCFCC与其对应结构的间隙逐渐缩小。此外，还确定了三个吉布森和阿什比公式的力学特性和系数。本研究提出了一种具有优异机械性能和良好可加工性的新型基于板块的结构，为轻质机械超材料的设计开辟了新的途径。

这项研究探讨了不同相对密度制备的LPBF生产的AlSi10Mg晶格结构的压缩性能、变形行为和能量吸收能力，介绍了新型板状SCFCC超材料，并将其与传统的桁架型超材料（BCC，八角钢）和壳状gyroid超材料进行了比较。从本研究所进行的实验测试中可以得出以下关键结论：1. 在次应力承载面上打直径为0.9mm的孔可使基于板的SCFCC的弹性模量降低3.5%。随着孔径从0.9mm增加到1.5mm，模拟和实验结果都证实了刚度对孔径的变异性极不敏感。

2. 这四种晶格结构的压缩变形行为取决于它们的单元细胞几何形状。所有结构在弹性阶段都经历应力迅速增加，而桁架型和壳状结构在断裂阶段都表现出轴向压缩屈曲诱发的弯曲断裂，导致形成45度剪切带和显著的应力降。然而，基于板的SCFCC表现出明显的逐层变形模式，具有近乎恒定的平台应力，导致局部板弯曲而不是全局剪切带。

3.在相对密度为0.2时，板-SCFCC表现出最高的刚度(1.8GPa)，峰值抗压强度(137.35±1.66MPa)和能量吸收(65.93±1.27MJ/m3)，分别比其基于桁架和基于壳的类似结构高出约50％、300％和400％(或200％)。4.当相对密度从0.2增加到0.5时，板-SCFCC仍保持优越的机械性能，而由于失去了格栅结构特征，SCFCC与其类似结构之间的间隙逐渐减小。

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