导读：为满足增材制造（3D打印）和轻量化设计用户学习和交流需要，10月14日-31日，仿真秀平台将推出增材制造与轻量化专题线上系列讲座（支持反复回看）。10月30日（周六）20时，我们非常荣幸邀请到西北工业大学袁上钦副教授给大家带来《面向增材制造材料-工艺-结构-性能的优化设计方法》希望能够引发行业用户共鸣，支持反复回看。

袁上钦，西北工业大学副教授，博导，主持国家自然科学等国家级项目3项和省部级项目1项，骨干参与国家级重大项目及重点项目等。主持及参与多项国际五百强公司联合研发项目，其中包括，德国博世，美国惠普，泰国PTTGC等。已发表高水平SCI检索论文20余篇,ESI高被引论文1篇,H因子16,总引用超。授权国际专利一项，新加坡专利一项，公开国内发明专利四项。

袁上钦老师展示复合材料

本文来自西北工业大学无人系统技术研究院袁上钦副教授公开论文《基于激光烧结纳米复材的高效吸能超材料》，希望对广大增材制造和轻量化设计的用户有所帮助。诚邀广大行业用户加入仿真秀增材制造行业群进一步交流。以下是正文：

一、论文作者袁上钦西北工业大学无人系统技术研究院，西安王志豪西北工业大学无人系统技术研究院，西安李江西北工业大学机电学院，西安

※基金项目：国家自然科学基金(联合基金U，青年基金）

二、论文摘要

本文选用激光烧结技术，采用纳米复合材料作为原料的，通过该技术制造具有拉胀复合晶格的机械超材料。该方法为设计和制造能量吸收可调控的系统提供了技术手段。通过对材料组分和结构的优化能够高效提升复材结构的能量吸收能力。拉胀型超材料的能量吸收能力与相对密度成指数关系，约为2.5^-3。经过对机械超材料进行合理的几何拓扑优化后，其具有较高的致密化强度（0.MPakg-1m^-3）、能量吸收能力（6.29MJm^-3）和比能量吸收能力（20.42Jg^-1）。本研究提出的拉胀性超材料具有接近钛合金泡沫，优于塑料泡沫、铝合金泡沫以及其他增材制造成型结构的能量吸收能力。

关键词：曲屈机械超材料，增材制造，负泊松比晶格，能量吸收，选择性激光烧结

三、引言

近年来，研究者发现三维机械超材料具有天然材料不具备的机械性能，例如负泊松比，刚度和热膨胀性。尽管大多数已开发的超材料都可以用于工程项目，但由于增材制造使用的材料机械性能不足，以及制造过程中存在不可避免的结构缺陷，很难达到高效的吸收能量。超材料[1–5]是理想的人工材料，一般具有独特的结构，可以用于控制光[6]、声音[7,8]、机械应力[9,10]等，从而使其具有自然材料无法实现的特性，比如：光学性质[11]、声学性质[6]、机械性[12,13]和许多其他物理特性。研究者在金属晶体的变形过程中，首次观察到具有高度有序堆积的三维拉胀材料[14,15]。

迄今为止，机械超材料促进了原理上不相容的机械性能组合，例如刚度、阻尼能力和负泊松比[16–18]。这些属性均来自材料与结构的几何构型排列，以及材料组分的固有特性。但是，通过传统的材料开发（例如化学合成和自组装）和传统的制造方法（例如模制，加工和切割）很难实现材料配方的定制以及跨领域的三维结构设计。

三维机械超材料具有的的高能量吸收能力、可重复使用的机械减震能力、可控制的机械行为和可重构性等性能已被研究者预测[12,18,19]。Babaee等人设计了一组通过Bucklicrystals产生的机械超材料，并从理论上揭示了它们的屈曲引起的膨胀[12]。机械超材料与传统的能量吸收材料不同，后者是由空隙和组成材料的随机空间排列导致的固体泡沫组成的，它会导致局部结构异质性和不均匀性。金属或塑料的变形行为通常是不可控的，因此很难实现定向的拓扑设计。但是，实际加工的超材料很少具有较高的能量吸收能力。面向终端用途，关键在于超材料的设计和制造一体化，特别是材料配方和空间结构的理想组合。

3D打印或增材制造（AM）为合理设计和控制周期性变化的结构提供了机会，而结构的拓扑可以帮助实现其更好的性能，例如负刚度和负泊松比。例如，Fang和同事展示的轻型机械超材料具有可调节的负热膨胀[10]以及超高刚度[13]的性能，这要归功于先进的微立体光刻技术以及三维材料数字化功能。Frenzel等人还设计并制作了三维手征微结构，其扭曲自由度在数量上超过了Cauchy弹性。[9]

通过选择性激光烧结（SLS）进行的3D打印已被用于制造陶瓷、金属和聚合物复合材料，其尺度范围从微米到几米不等[18,20]。这种方法的本质是设计粉末的成分和微观结构，使其具有理想的流动能力并与激光源相互作用，最终冷凝成为块状复合材料[21,22]。激光烧结的拉胀超材料可以满足以下吸收能量的要求：（1）强韧；（2）结构中具有的柔性节点或连接点；（3）压缩后发生大变形；（4）制造大型结构。同时，与其他需要额外支撑结构、布局以及后处理十分复杂，与选择激光熔化（SLM），熔融沉积建模（FDM）的AM技术相比，SLS具有无支撑材料、易于后处理、成本低以及可以成型复杂结构的优点。

在航空制造领域，复合材料及结构的稳定性和可靠性尤其重要。同其他航空材料相比，复合材料及结构有更高的强度、更轻的重量、更好的减振以及降噪能力，这为其在航空领域的应用打下了良好基础。目前复合材料已经开始在客机上应用，空客A的用量接近总质量的53%，波音也超过了50%。为了满足航空应用的需求、获得适航批准的构件，需要使用复合材料制作部分零件，如：飞机前机身段、阻力板、机翼外翼、整流壁板，航空发动机的发动机的压气机叶片、盘、轴、机匣、传动杆等部件、机舱门锁拴轴和机翼肋条等，都可以使用复合材料制作。其中，负泊松比材料具有较高的抗冲击能力和减震性能，可以制成大型薄壁件的填充结构、机匣及机舱门等构件的内部支撑结构。材料的结构设计和组成体系需要高度耦合，同时增材制造复合材料为机械超材料在航空领域的应用提供了新的思路。因此，本研究开发了尼龙与纳米碳管的复合粉末，设计了不同孔数的体心立方结构（BCC）的拉胀晶格，通过SLS工艺制造负泊松比晶格结构，拓展增材制造机械超材料在航空领域的应用。

四、试验及方法

复合粉末制备方法：通过表面活性剂处理碳纳米管（CNT），通过溶液降温沉积法将CNT附着到尼龙（PA12）粉末表面，形成复合CNT/PA12粉末。PA12粉末（德国KraillingEOSGmbH，PA），直径为20–40nm或40–60nm。多壁CNT溶液长度大于5um（杭州Corker复合材料有限公司）。将水合胆酸钠（BoXtra，≥99％，Sigma-Aldrich）用作表面活性剂，以修饰去离子水中的多壁碳纳米管（MWCNT）。将CNT在90°C的加热的PA12粉末悬浮液中混合1小时，然后冷却至室温。吸附有CNT的粉末可能会沉淀出来，以进行进一步过滤和干燥，通过调节MWCNT的重量比来改变复合粉末的组成。

材料表征：为了表征复合粉末的表面形貌和微观结构，使用了场发射扫描电子显微镜（JSM-F，日本东京），电子束电压为2–5kV。为了使用光学显微镜（OlympusDP72，MA，，美国）捕获微观结构，需要对CNT/PA12样品进行良好的抛光以进行光学表征。

选择性激光烧结：激光烧结复合材料和结构均通过配备CO2激光器（λ=10.6m，激光功率高达50W，德国EOSP）。考虑了包括激光扫描速度、粉末层厚和阴影空间在内的参数，以优化烧结复合材料的机械性能。优化的工艺参数之后是EOSP系统的商用PA12参数集。在将处理室冷却至室温之后处理完成。从机器中取出样品，并通过喷砂清理多余的粉末，并用压缩空气清理。拉伸和压缩样品分别按照ASTM标准（D）和（D）进行打印。抛光了15mm×20mm×25mm的立方试样，以检查其微观结构。

机械测试及评估：烧结复合材料的拉伸和压缩性能是使用Instron负载框架（Instron，Norwood，MA）测量的。施加在样品上的拉伸速率和压缩速率分别为

每种材料UT的比拉伸韧性描述为等式

（1）

其中σ（ε）是与应变相对应的拉伸应力，而εd是断裂伸长率；ρs是激光烧结复合材料的密度。

在具有10kN称重传感器的InstronUniversal试验机上进行了拉胀晶格的压缩试验，并且以

的相同位移速率固定了所施加的法向应变。样品的拉伸性能是平均值。每个晶格W的能量吸收能力

由公式给出

（2）

其中εD是每个晶格在压缩时的致密化应变，并在具有最大吸收效率的应变下确定，该结构由方程式Emax给出

（3）

当达到Emax时，可以获得σD和εD。此后，如公式所述，通过比能量吸收Umax得出的单位质量能量吸收的最优值

（4）

其中Wmax是通过能量吸收能力压缩晶格时的最大能量吸收，而ρ是晶格密度。

五、结果与讨论

高性能纳米复合材料与理想的三维结构的匹配将使人们既可以利用拉胀型超材料的结构优势，又充分利用其能量吸收的潜力。本文对碳纳米管增强的纳米复合粉末进行激光烧结，以制备具有较高能量吸收能力的机械超材料，该材料超越了传统的金属随机泡沫或先前报道的增材制造复合材料。如图1所示，机械超材料的潜在优势需要通过增材制造工艺来实现。

由于CNT的网络使连续基体韧性增加，使用纳米复合材料制作的样品表现出了良好的拉伸韧性和比能量吸收能力。结构可产生屈曲主要的大形变和高度顺从效应，非常有利于能量的吸收。通常情况下，当尽可能多的结构单元避免与荷载方向一致，同时保证足够的结构失稳和力耗散时，结构的耗能效率最高。这些拉胀晶格具有各向同性，并具有高度的结构连通性，在静态压缩时表现出负泊松比和较大的几何非线性。

聚酰胺（PA12）是当前方法的良好实验原料，这是因为PA11和PA12占据激光烧结热塑性塑料90％的市场份额。激光烧结PA12具有约45MPa的拉伸强度和28％的断裂伸长率[23]。使用乳液沉积法，将平均粒径为60m的原料粉末（PA12）附着表面活化处理的CNTs，以确保CNT在表面上均匀覆盖[24]。激光烧结工艺的系统粉体评价和工艺优化在我们之前的工作中得到了证明[21,23]。碳纳米管包覆的粉末可以有效吸收激光能量以促进其熔融凝结以及在聚合物基体内形成三维连续网络。但是，由于表面CNT膜的厚度与熔融复合材料的粘度之间存在正相关关系，覆膜加厚引起的熔体粘度增加可能会在短时间的激光照射下引起熔融障碍，从而阻止粉末的固结。所以，当涂层既能有效地增强能量吸收又能保持足够低的熔体粘度以保证复合材料熔体的快速熔融时，可以获得最佳的负载比[25]。

图1.CNT的微观结构以及晶格的能量吸收性能

a）用于选择性激光烧结（SLS）工艺的典型建筑平台的示意图。b）具有均匀CNT覆膜的粉末。c）烧结的CNT/PA12复合材料中的CNT网络。d，e）不同放大倍数的激光烧结复合材料的微观结构。f）具有BCC-6H结构的激光烧结复合超材料。g）BCC-6H晶格的代表性单元。h）应力-应变曲线说明了BCC-6H晶格的能量吸收性能。机械变形的临界转变（例如平均应力，致密化应变和致密化应力）在应变-应力曲线中显示。

Figure1.MicrostructureofCNTandenergyabsorptioncapacityofcrystallattice：a)Schematicillustrationofatypicalbuildingplatformforselectivelasersintering(SLS)process.b)ThefeedstockpowderwithalayerofCNTcoating.c)ThenetworksofCNTswithinsinteredCNT/PA12

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