学术前沿 | 纤维多孔材料：用于多功能应用的 3D 打印混合多孔材料

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-11-07 21:38

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这项工作展示了纤维多孔材料的增材制造——纤维网集成在基础多孔支架的开孔内的混合材料。所提出的方法允许在精确控制纤维直径和网格密度的情况下将纤维无缝整合到支架中，而无需任何额外的后处理步骤。在这里，使用 gyroid 孔结构作为基础支架，本研究使用基于挤压的增材制造技术制造纤维多孔材料，并研究其产生的吸声、压降、机械刚度和能量吸收特性。双麦克风法向入射阻抗管测量显示，与更致密、无纤维的多孔材料相比，吸声性能有了显著提高，同时保持了 33% 的重量减轻。其他测试（包括压降和静态气流阻力测量）表明，纤维集成减小了有效孔径并增加了流动阻力，从而提高了较低频率下的吸声能力。机械性能也得到了显著改善，刚度和屈服应力分别增加了 27 % 和 37.85 %。纤维多孔样品的每单位体积能量吸收率提高了 30%，因为它们的抗变形能力更高。这项研究表明，增材制造的纤维多孔材料可在不显著增加重量的情况下提供显着的多功能性能提升。适应性强的制造工艺与各种可挤压材料兼容，为设计具有特定应用功能的复杂定制工程结构开辟了一条新途径。

本研究演示了混合纤维多孔材料的增材制造，其中纤维网与基础多孔支架结构相结合。采用不同纤维直径和网格密度的挤压基熔融灯丝制造技术制备了纤维多孔材料。通过双麦克风阻抗管试验，研究了纤维网参数对样品正常入射吸声行为的影响。测量结果表明，将纤维网整合到多孔支架内可显著提高其吸声性能。值得注意的是，纤维多孔样品的吸声性能可与密度更多的无纤维多孔样品的性能相媲美，但更轻33 %。通过进行压降和静态气流电阻率测量，可以获得进一步的见解。试验表明，与增加多孔支架相对密度相比，增加纤维能使孔径更大，从而产生更高的流动阻力和较低频率下的吸声能力。机械压缩试验表明，纤维的加入也能提高机械刚度和能量吸附性能。值得注意的是，通过整合纤维网，多孔支架的基础刚度和屈服应力分别提高了29.69 %和37.85 %。最后，能量吸收测量表明，虽然纤维多孔样品在较低的应变下致密，但其抗变形能力的增加导致单位体积的能量ab吸附更大。因此，研究结果表明，纤维多孔材料可以在不显著提高系统整体重量的情况下显著提高多功能性能。因此，纤维多孔材料为设计具有定制的、特定应用功能的材料提供了一条新的途径，促进了先进、轻质和复杂的工程设计的发展