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陶瓷點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及陶瓷點(diǎn)陣-樹脂復(fù)合結(jié)構(gòu)在無人潛水器的應(yīng)用

陶瓷點(diǎn)陣-樹脂復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備工藝

耐壓艙是無人潛水器的關(guān)鍵部件之一。傳統(tǒng)耐壓艙多以金屬材料構(gòu)建，但金屬密度大、變形抗力差，為更好達(dá)到減重效果，迫切需要設(shè)計(jì)一種既具備優(yōu)異力學(xué)性能又具有輕質(zhì)特性的結(jié)構(gòu)材料。

近日，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所工藝裝備與智能機(jī)器人研究室科研團(tuán)隊(duì)通過基于立體光刻的增材制造技術(shù)與樹脂滲透工藝，設(shè)計(jì)并制備了一種氧化鋁陶瓷晶格與酚醛樹脂復(fù)合的新型增強(qiáng)晶格結(jié)構(gòu)（以下稱陶瓷點(diǎn)陣-樹脂復(fù)合結(jié)構(gòu)），這一新型增強(qiáng)晶格結(jié)構(gòu)兼具陶瓷材料的高強(qiáng)度、高模量和樹脂材料的高韌性，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異力學(xué)性能與輕量化的結(jié)合。

科研團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)表征了不同構(gòu)型（SC、BCC、Gyroid、Oct、SchwarzP）、相對(duì)密度及晶胞尺寸的陶瓷點(diǎn)陣—樹脂復(fù)合結(jié)構(gòu)在壓縮載荷下的力學(xué)響應(yīng)特性，同時(shí)采用Johnson-Holmquist-II（JH-2）模型開展了數(shù)值模擬以預(yù)測(cè)和研究其力學(xué)行為。

研究結(jié)果表明，陶瓷點(diǎn)陣-樹脂復(fù)合結(jié)構(gòu)的壓縮性能排序?yàn)楹?jiǎn)單立方（SC）>體心立方（BCC）>Gyroid>八桁架（Oct）>SchwarzP（Sch）；隨著相對(duì)密度和晶胞尺寸的增大，陶瓷點(diǎn)陣—樹脂復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能顯著提升。

數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度吻合，揭示了壓縮過程中材料內(nèi)部損傷與裂紋擴(kuò)展機(jī)理。與傳統(tǒng)氧化鋁陶瓷晶格相比，陶瓷點(diǎn)陣-樹脂復(fù)合結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出了更優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度（提升約3倍）與能量吸收性能（提升約2.5倍）。該研究為無人潛水器的輕量化設(shè)計(jì)提供了新型的復(fù)合材料解決方案。

該研究成果以Mechanical behavior of reinforced Al2O3 lattice structures: Effects of structural parameters from experiments and simulations為題發(fā)表于薄壁結(jié)構(gòu)領(lǐng)域國際期刊Thin-Walled Structures。沈陽自動(dòng)化所研究生鐘科為第一作者，沈陽自動(dòng)化所趙吉賓研究員和趙宇輝研究員為通訊作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的支持。（工藝裝備與智能機(jī)器人研究室）

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.112753

來源：中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所