3D打印仿貝殼珍珠層復(fù)合材料在靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)狀況下的力學(xué)性能研究

3D打印仿貝殼珍珠層復(fù)合材料在靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)狀況下的力學(xué)性能研究貝殼珍珠層是一種特殊的生物結(jié)構(gòu),它廣泛存在于自然界中各種帶有貝殼的生物中,如海螺、鮑魚等。它經(jīng)過(guò)幾百萬(wàn)年的進(jìn)化,通過(guò)巧妙的組合形成了一種特殊的類似于建筑中的“磚-泥”結(jié)構(gòu)。它主要由兩部分組成,硬質(zhì)但是比較脆弱的CaCO₃作為主要組成部分,軟質(zhì)但是延性比較好的有機(jī)物作為基質(zhì)部分。盡管這種結(jié)構(gòu)的CaCO₃占有絕大部分,但是相比較純的CaCO₃,它卻有更加優(yōu)異的力學(xué)特性。它在強(qiáng)度和模量犧牲都不大的情況下,擁有了更加優(yōu)異的延性和能量耗散能力。因此它的這種特殊性質(zhì)也得到了越來(lái)越多的關(guān)注和研究。隨著復(fù)合材料研究的不斷發(fā)展和仿生領(lǐng)域的不斷深入,貝殼珍珠層也得到了比較多的關(guān)注,而且必將在未來(lái)得到更多且更深入的研究和發(fā)展。然而目前關(guān)于仿貝殼珍珠層復(fù)合材料的相關(guān)研究還比較欠缺,因此研究貝殼珍珠層復(fù)合材料的力學(xué)特性不僅僅有著良好的科學(xué)意義,也有著良好的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。本論文的主要研究工作為仿貝殼珍珠層復(fù)合材料的力學(xué)性能研究,主要研究仿貝殼珍珠層復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮工程狀況和在子彈侵徹環(huán)境下的力學(xué)性能發(fā)展規(guī)律,論文主要分為兩個(gè)部分:第一部分通過(guò)3D打印成型的方式,制備仿貝殼珍珠層復(fù)合材料的試樣。3D打印成型技術(shù)具有高效、快捷、節(jié)省材料、精度比較高的特點(diǎn),因此得到了越來(lái)越多的應(yīng)用,特別是在復(fù)合材料的研究領(lǐng)域。本文所采用的3D打印試樣由剛性不透明塑料VeroBlue作為主要組成部分,以軟質(zhì)類橡膠TangoBlack作為基質(zhì)部分。然后通過(guò)變換不同的細(xì)部幾何尺寸,制備出仿貝殼珍珠層復(fù)合材料的試樣。實(shí)驗(yàn)采用準(zhǔn)靜態(tài)壓縮加載的方式,來(lái)探究仿貝殼珍珠層復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)工程狀況下壓縮力學(xué)性能受細(xì)部幾何尺寸的影響。而且本研究通過(guò)結(jié)合ABAQUS有限元分析軟件的數(shù)值模擬結(jié)果,對(duì)部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證對(duì)照,相關(guān)的驗(yàn)證對(duì)照顯示結(jié)果比較吻合。通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果,我們可以發(fā)現(xiàn),仿貝殼珍珠層復(fù)合材料的一些力學(xué)性能特征,如應(yīng)力應(yīng)變曲線、壓縮模量、壓縮強(qiáng)度、破壞吸收能量等受到材料細(xì)部幾何尺寸影響比較大,如硬質(zhì)磚塊的長(zhǎng)寬比、硬質(zhì)磚塊的寬度、軟質(zhì)膠層的厚度。結(jié)論顯示比較小的軟質(zhì)膠層厚度和比較大的硬質(zhì)磚塊長(zhǎng)寬比對(duì)力學(xué)性能的影響比較明顯。第二部分主要通過(guò)ABAQUS有限元分析的手段,建立不同細(xì)部幾何尺寸,且從單層到多層的3D打印仿貝殼珍珠層復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)分析數(shù)值模型。由于所采用的材料參數(shù)來(lái)自參考文獻(xiàn)所指出的剛性塑料Veromagenta和軟質(zhì)類橡膠Tangoblackplus,和靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中所采用的試樣材料十分相似,因此動(dòng)態(tài)分析和靜態(tài)實(shí)驗(yàn)的材料性能也十分相近。我們通過(guò)建立3D打印仿貝殼珍珠層復(fù)合材料和沖擊物體加沖頭的模型,探究侵徹環(huán)境下仿貝殼珍珠層復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能發(fā)展規(guī)律。我們發(fā)現(xiàn)仿貝殼珍珠層復(fù)合材料的抗侵徹性能和硬質(zhì)磚塊的長(zhǎng)寬比、軟質(zhì)膠層的厚度和復(fù)合材料的設(shè)置層數(shù)有著十分密切的關(guān)系。而且模擬和參考文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)比較理想?？傮w上看,本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)加上ABAQUS有限元分析的方法,研究了3D打印仿貝殼珍珠層復(fù)合材料