导读

建构化晶格或超构晶格材料（Architected Lattice Materials）是由结构化设计的基本单元组成，具有前所未有的属性调节可能，包括超轻质、高韧性等力学性能，正被作为一类高性能力学超材料（Mechanical Metamaterials）广泛研究，已被证明在多领域多尺度范围上能够实现超轻质、韧性、可调刚度、良好吸能耗能和高抗冲击等优异力学性能。然而单一的晶格材料具有强度低、变形大等问题，其潜在应用场景还很缺乏，如何进一步开展大尺度构件设计还有待探讨。本期为大家介绍课题组解兵林等同学于近期发表在Composite Structures上题为Tunable properties and responses of architected lattice-reinforced cementitious composite components induced by versatile cell topology and distributions的文章。

详情请参考：https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.116850或点击文末阅读原文进行查看。

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“设计材料Materials by Design”方法。论文介绍了一种以水泥基砂浆材料为基相，以晶格材料为增强相的建构化晶格增强水泥基复合材料（Architected Lattice-Reinforced Cementitious Composite, 以下简称LRCC）。对6种典型的晶格几何，建立由直径d1控制的参数化模型，使晶格实体部分具有相同的体积，以及LRCC具有相同的体积增强率。将这些晶格分为蓝色组和红色组，前者具有中空的内部，包括晶格单元H(hex-around)、W (warmth)和V (vintiles)；而后者内部具有子结构，包括晶格单元R (re-entrant)、O (octet)和T (tesseract)。将等量的PLA线材通过3D打印成型为6种晶格几何，随后进行试验测试与模拟分析。研究了LRCC单元和小梁构件分别受轴向压缩和三点弯曲荷载下的力学增强机制，评价了晶格几何特征变化对强度、延性和能量耗散的效应，表征了晶格体积率和晶格布置分别对LRCC小梁抗弯曲性能的影响。

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晶格几何对抗压力学性能的影响。测试了晶格单元与内置晶格的LRCC单元在轴向压缩下的力学性能，尽管6种晶格单元的材料用量相同，但几何发挥的效应在第一峰值荷载、刚度、延性和能量吸收能力等方面存在明显差异。单元V和单元O分别是蓝色组和红色组中具有最大承载力的晶格几何。相比于素砂浆立方体发生的脆性破坏，LRCC单元由于晶格与基体材料相互作用，在达到峰值荷载后经历了明显的渐渐下降段，延性和吸能耗能能力都提高了。在蓝色组晶格中，V-LRCC单元由于晶格V具有最大的内部“空间”约束砂浆，其承载力超过了具有更大承载力晶格O的O-LRCC单元。虽然晶格单元W在受压下具有最小的延性，但W-LRCC单元具有最大的延性，提升了2.36倍。并且O-LRCC单元具有最大的比吸能能力，提升了5.89倍。

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晶格几何对抗弯力学性能的影响。在晶格几何参数化模型中，将相同晶格布置5个单元，使6种晶格具有相同的材料体积（VL = 93750 mm3）以及LRCC小梁具有相同的晶格增强体积率（rLV = 15%）。对LRCC梁在三点弯曲荷载下裂纹发展和分布的观察，证实了晶格结构物与水泥基体材料之间的相互作用会导致不同的破坏模式。不同于素水泥基砂浆材料（rLV = 0%）发生突然的脆性断裂破坏，所有LRCC梁都在梁的底部经历了裂纹萌生和裂纹扩展的过程。其中，蓝色组LRCC梁的力位移曲线都显示了两个峰值，分别表示了水泥基砂浆材料的破坏和内置晶格结构的断裂，在晶格底部杆件断裂后，横截面变小，中性轴上移，晶格中上部杆件开始承受荷载，达到承载力较低的第二个峰值。而红色组LRCC梁的力位移曲线在达到峰值后刚度逐渐下降，这是内核子晶格与水泥基体材料的相互作用使LRCC梁中性轴逐渐上移导致。此外，根据量化指标显示，5T-LRCC梁具有最高的抗弯承载力，提升了1.71倍；红色组的5O-LRCC梁也具有较高的承载力。而5W-LRCC梁和5R-LRCC梁承载力低于素水泥基材料，这与5W-L晶格梁和5R-L晶格梁的承载力低于素水泥基材料的结果是一致的，揭示了晶格梁在LRCC梁的三点弯曲响应中发挥的作用。其次，5O-LRCC梁是具有最好吸能能力的晶格设计，这同样与5O-L晶格梁具有最好的吸能能力结果是一致的。综合来看，5V-LRCC梁和5O-LRCC梁分别是蓝色组与红色组中三点弯曲响应较好的晶格设计。此外，我们还研究了晶格增强体积率对抗弯力学性能的影响。实验结构表明，随着晶格增强体积率逐渐增大，在5%~30%范围内，其极限承载力依次增大，下降段变得更平缓。详见原文。

总结

对优异力学性能的追求，使小尺度的超构晶格被各领域进行了广泛的研究，但本文关注的是如何实现超构晶格在大尺度下依然具有优异的力学表现。因此，我们探索了一种通过改变局部几何设计来调控晶格增强复合材料整体力学行为的材料设计“materials by design”方法；通过设计晶格几何与单元空间布置，可以获得力学性能优良且可调控的轻质复合材料；基于多样化的晶格几何特征对LRCC力学性能增强机制的理解，可以为特定场景选择正确的晶格几何及其空间布置；为了进一步理解LRCC构件的机理，还需要进行两相材料界面过渡区晶格与水泥基砂浆材料相互作用的研究。但本文的研究侧重点在于将晶格增强相与水泥基砂浆材料视为一种复合材料系统，以扩展该研究成果在特定的应用场景下针对不同材料组合进行大尺度的构件设计。以期在获得轻质、优良力学性能的同时，减少水泥等基质材料的消耗，促进塑料废弃物的循环使用，也可以为实现可持续的未来降碳减碳。例如，3D打印的晶格可以选择其它强度更大、韧性更强、延性更足以及吸能耗能更好的材料来制备，而基体材料可以选择其它更重要或消耗更大的材料，并与智能化方法和数字化工具进一步相结合。我们相信，该复合材料设计策略将为设计和优化高性能的轻质韧性构件提供一种有效的途径，以探索该类复合材料在航空航天、国防和土木工程中的潜在应用。

END

来源于多样化结构实验室VSL

排版 | 李嘉晨

审核 | 胡   楠