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1. 導讀
互穿相複合材料（IPCs）是一種增強相與基體兩相協同作用的結構/功能一體化優良載體，具有低密度、高比表面積，優良比強度、比剛度等一系列優良特性，在航空航天、汽車、和醫學等領域具有廣泛的應用前景。然而，兩相結構的功能特性與結構模型存在複雜的耦合關係，導致結構設計的複雜度上升。所以，需要進一步研究複合材料的結構最佳化方法，實現對功能特性的調控，以滿足複雜工程的應用。
拓撲最佳化和增材製造作為調控兩相材料結構和設計的有效手段，隨著計算機技術的快速發展，已成為現在研究的重點領域。例如，與基於桁架的蜂窩材料相比，基於TPMS的蜂窩材料已被證明具有機械效率，這是由於其光滑和規則的拓撲結構，導致了較低的區域性應力集中，從而有效地傳遞荷載。因此，有必要把類似設計方案延伸到IPCs中，豐富復相材料的拓撲結構和設計方法，增強設計結構的多樣性，釋放其工程應用潛力。
為了精確地控制自旋節分解的兩相拓撲結構，加利福尼亞大學Yunfei Zhang等人在《Composite Structures》期刊發表了題為“Mechanical Performance of 3D Printed Interpenetrating Phase Composites with Spinodal Topologies”的文章，文中提出了自旋節殼基IPCs複合材料的最佳化設計方法。結合本AM中多材料噴射方法列印材料，研究了軸向殼增強互穿相複合材料的力學效能，重點研究了非線性變形下的剛度、屈服強度和能量吸收。
2. 內容
2.1 材料和方法
（1）旋轉晶格結構的選擇
圖1. 在30%體積約束下，λ/L=1/8，λ/L=1/5和λ/L=1/3的胞殼材料
（2）旋節線殼拓撲
從50%體積約束下的旋節實體拓撲中提取的旋節殼拓撲在整個殼中具有負高斯曲率，平均曲率處接近於零，從而接近TPMSs的幾何特性。透過固體旋節拓撲表面，可以得到具有非零平均曲率的旋節殼拓撲，但以往的研究表明，它們的力學效能較低。因此，在這項工作中，我們把注意力限制在平均曲率接近於零的自旋軸殼拓撲上，如圖1。
圖2.數值產生旋轉殼增強IPCs材料的方法示意圖
（3）拓撲IPCs架構的數字生成
在生成增強型拓撲結構之後，此模型被匯入反向工程軟體Geomagic Design X。在產生合適的殼厚和棒材直徑以獲得所需的增強相體積分數後，每個CAD模型從相同尺寸的立方體中減去一個布林切割操作，以建立互補矩陣階段。最後將CAD檔案轉換為STL檔案，並傳輸到3D印表機控制軟體GrabCAD中，如圖3。
圖3. IPC的拓撲結構：（a）增強相；（b）基質相；（c）互交叉複合材料；（d）3D列印樣品
所有樣品都是由PolyJet 3D印表機(Objet260 Connex3, Stratasys)製造的，該印表機同時允許列印3種不同的材料，透過在任意位置混合適當數量的3種成分材料獲得中間配方。IPCs中的強化相是用VeroWhitePlus（一種玻璃狀光聚合物）列印的，而軟基質相是用Agilus30（一種橡膠聚合物）列印的。所有樣品都是30× 30×30mm的立方體。透過用支撐材料替換Agilus 30列印選定的增強相蜂窩材料，隨後用水噴射去除支撐材料。所有樣品在室溫下固化4天。
圖4. AM的工藝引數和PLA的材料效能
2.2 結果和討論
2.1.1 組成材料的力學效能
資料表明，增強相材料比基體相材料的剛度大約高出三個數量級；因此，可以預期，在複合材料試樣中，增強相階段將承擔絕大部分的荷載。基體相比強化相軟三個數量級，對變形機制和損傷演化仍起著重要作用。我們將這種尺寸效應的缺乏歸因於這樣一個事實，即無論特徵尺寸大小，所有的樣品都經歷了相似的固化程度，因為基質和增強相是在完全緻密的樣品中同時列印的，而且所有樣品的尺寸都是相同的。所以，在對IPCs材料力學效能進行分析時，尺寸對材料效能的影響可以忽略不計。
圖5. 拉伸和壓縮試樣的應力應變曲線（a）樹脂材料；（b）Agilus30材料
2.1.2固體和殼層增強拓撲的區別
圖6和圖7表明，具有旋軸殼增強拓撲結構的IPCs在所有指標上都具有優勢，在增強體體積分數較低時，優勢顯著增加，其中，具有近零平均曲率和負高斯曲率的薄殼主要表現為的拉伸主導方式和均勻變形，應力強度很小。隨著Vf的增加，固體和殼層的軸突增強拓撲的差異變得模糊，兩種IPCs的性質趨於收斂。考慮到具有旋振殼筋拓撲結構具有一致的優良力學響應，因此沒有對具有旋振實體筋拓撲結構的混凝土結構進行進一步研究。
圖6. 由旋轉殼和旋轉固體增強IPCs複合材料的機械響應對比（a，b）壓縮應力應變曲線；（c）楊氏模量和屈服強度；（d）能量吸收
圖7. IPCs複合材料的力學響應.(a-c)不同載荷下不同晶格的應力應變曲線；（d-f）不同體積分數下的應力應變曲線
2.1.3旋節拓撲殼結構的優勢
圖8可知，在高體積分數的強化下，八隅體晶格複合材料和旋轉殼複合材料比自旋軸線複合材料 IPCs經歷更多的區域性災難性失效。
圖8.在50%體積分數、壓縮到50%應變下，不同增強相拓撲的IPCs的力學響應。(a)應力應變曲線；(b)自旋線複合材料；(c) 旋轉殼複合材料；(d)八隅體晶格複合材料
圖9可知，隨著迴圈載入的進行，三種拓撲結構在壓縮階段均表現出越來越明顯的斷裂。結果表明，兩種週期性複合材料的承載能力均降低，而複合材料的應力應變曲線基本不受影響。
圖9. 體積分數50%時，對不同增強拓撲結構的樣品的迴圈壓縮試驗。所有樣品壓縮至10%應變3個週期。(a)八隅體晶格複合材料；(b) Schwartz P殼複合材料；(c) Spinodal 殼複合材料
為了更好地理解材料變形和破壞行為的差異，在增強相體積分數Vf=30%的情況下對三種加固拓撲的IPCs進行了有限元分析。如圖10所示，計算預測的應力應變響應與實驗結果吻合良好，很好地捕捉了初始剛度、屈服和極限強度以及破壞後行為。
圖10. 壓縮模型實驗結果與模擬結果的比較。(a-c)體積分數為30%時，試驗與模擬應力應變曲線對比；(g-i)在15%應變下壓縮階段的von Mises應力圖
3. 小結
採用實驗和數值方法研究了具有隨機軸向拓撲結構的互穿相複合材料的力學響應。採用列印技術製備了模型聚合物體系，增強相採用旋轉殼的拓撲結構，剩餘體積由較軟的基體填充。結果表明，與兩種建立良好的週期性增強材料(Schwarz P週期 (TPMS)和八面體桁架晶格)的IPCs相比，旋轉殼的拓撲 IPCs具有較強的抗壓強度和剛度，同時顯示出更少的破壞和更大的抗損傷性。特別是在增強相體積分數較高時。高剛度、高強度的組合，使旋轉殼的拓撲 IPCs成為有希望的能量吸收和衝擊防護應用的候選人，在這種應用中，材料在大壓縮應變下缺乏軟化，可以防止突然坍塌；對這種先進的基於旋節殼的IPCs進行演示和表徵將是未來研究的主題。
原始文獻：Zhang, Yunfei, Meng-Ting Hsieh, and Lorenzo Valdevit. Mechanical Performance of 3D Printed Interpenetrating Phase Composites with Spinodal Topologies. Composite Structures 263 (2021). https://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113693.
