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陶瓷點陣結(jié)構(gòu)及陶瓷點陣-樹脂復(fù)合結(jié)構(gòu)在無人潛水器的應(yīng)用
陶瓷點陣-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，為更好達到減重效果，迫切需要設(shè)計一種既具備優(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)院沈陽自動化研究所工藝裝備與智能機器人研究室科研團隊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)合的新型增強晶格結(jié)構(gòu)（以下稱陶瓷點陣-樹脂復(fù)合結(jié)構(gòu)），這一新型增強晶格結(jié)構(gòu)兼具陶瓷材料的高強度、高模量和樹脂材料的高韌性，可實現(xiàn)優(yōu)異力學(xué)性能與輕量化的結(jié)合。
科研團隊系統(tǒng)表征了不同構(gòu)型（SC、BCC、Gyroid、Oct、SchwarzP）、相對密度及晶胞尺寸的陶瓷點陣—樹脂復(fù)合結(jié)構(gòu)在壓縮載荷下的力學(xué)響應(yīng)特性，同時采用Johnson-Holmquist-II（JH-2）模型開展了數(shù)值模擬以預(yù)測和研究其力學(xué)行為。
研究結(jié)果表明，陶瓷點陣-樹脂復(fù)合結(jié)構(gòu)的壓縮性能排序為簡單立方（SC）>體心立方（BCC）>Gyroid>八桁架（Oct）>SchwarzP（Sch）；隨著相對密度和晶胞尺寸的增大，陶瓷點陣—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)果與實驗數(shù)據(jù)高度吻合，揭示了壓縮過程中材料內(nèi)部損傷與裂紋擴展機理。與傳統(tǒng)氧化鋁陶瓷晶格相比，陶瓷點陣-樹脂復(fù)合結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出了更優(yōu)異的抗壓強度（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。沈陽自動化所研究生鐘科為第一作者，沈陽自動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研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會等項目的支持。（工藝裝備與智能機器人研究室）
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.112753
來源：中國科學(xué)院沈陽自動化研究所
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號