关键词：
石墨烯/SiC复合材料
直写成型
网络结构
压缩性能
有限元分析
摘要：
网络框架既具有一定的承载能力,又能够实现材料轻量化,是结构-性能一体化制造的重要研究方向。直写成型工艺操作简单、制造成本低、可以定制化网络结构,为制备孔隙可控的网络框架提供了技术支持。石墨烯/SiC复合材料具有强度高、硬度高、耐酸碱等特性,为制备结构和性能可控的网络框架提供了支撑材料。首先,本文以石墨烯/SiC复合材料为研究对象,采用挤出直写成型工艺制备不同网络框架,研究了不同挤出丝直径、填充间隔、搭接模式对网络框架成形性的影响。结果表明,挤出丝直径从0.60 mm增大到1.20 mm时,网络框架的成形性先提高后降低,挤出丝直径越小,自身弹性性能越小,支撑框架能力越弱,挤出丝直径越大搭接时粘滞性越高,打印回路中容易扭曲;填充间隔从0.40 mm增大到0.80 mm时,网络框架的成形性先提高后降低,填充间隔过小易导致结构分辨率低,过大则网络框架易发生弯曲变形;90°正交搭接的挤出丝之间结合紧密,成形性高,45°正交搭接的挤出丝在边界处结合度差,米字形搭接的挤出丝之间受力不均匀,成形性差。其中,90°正交网络框架在挤出丝直径和填充间隔分别为0.84mm和0.60 mm时具有最优的成形性,高度方向上的标准差为0.08 mm,长度方向上的标准差为0.04 mm,横向收缩率为6.99%,纵向收缩率为8.76%。其次,对3D打印后的网络框架进行放电等离子烧结并进行单轴压缩实验,分析网络框架的断裂机制以及不同直径、填充间隔和搭接模式对网络框架压缩性能的影响。结果表明,随着直径和填充间隔增大,网络框架的抗压能力均呈现先增大后减小的趋势。在相同填充间隔下,直径0.60 mm、0.84 mm和1.20 mm的90°正交网络框架最大极限荷载分别为438.54 N、924.60 N、322.98 N;在同样直径下,填充间隔为0.40 mm、0.60 mm和0.80 mm的90°正交网络框架最大极限荷载分别为870.90 N、924.60 N、663.30 N;在相同条件下,90°正交网络框架抗压能力最强,45°正交网络框架和米字形网络框架在压缩过程中存在边界效应和层滑移,抗压能力较弱;通过设计不同的直径、间隔和搭接模式可以实现对材料性能的调控。不同网络结构石墨烯/SiC复合材料的断裂失效机制是挤出丝层与层之间的渐进式断裂,这种机制可以提高网络框架的峰值荷载;压缩过程从变形到失效表现为线弹性阶段,逐层破坏和致密化三个阶段;宏观裂纹方向与荷载加载方向平行,裂纹产生的位置位于挤出丝搭接的应力集中区域附近。最后针对不同的直径、填充间隔和搭接模式进行等效建模,分析不同因素对网络框架压缩性能的影响。结果表明,90°正交网络框架应力分布均匀,应力集中区域小,压缩位移均匀变化,压缩性能好,45°正交网络框架和米字形网络框架应力分布不均,压缩过程中应力和位移变化不规律,边界处最先失效;直径越大的网络框架最大等效应力越大,应力集中区更大,越容易变形失效;填充间隔越小,结构越紧凑,压缩性能越好;不同网络框架的压缩变形趋势与实验结果吻合。
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