3D打印仿贝壳珍珠层复合材料在静力学和动力学状况下的力学性能研究

3D打印仿贝壳珍珠层复合材料在静力学和动力学状况下的力学性能研究贝壳珍珠层是一种特殊的生物结构,它广泛存在于自然界中各种带有贝壳的生物中,如海螺、鲍鱼等。它经过几百万年的进化,通过巧妙的组合形成了一种特殊的类似于建筑中的“砖-泥”结构。它主要由两部分组成,硬质但是比较脆弱的CaCO₃作为主要组成部分,软质但是延性比较好的有机物作为基质部分。尽管这种结构的CaCO₃占有绝大部分,但是相比较纯的CaCO₃,它却有更加优异的力学特性。它在强度和模量牺牲都不大的情况下,拥有了更加优异的延性和能量耗散能力。因此它的这种特殊性质也得到了越来越多的关注和研究。随着复合材料研究的不断发展和仿生领域的不断深入,贝壳珍珠层也得到了比较多的关注,而且必将在未来得到更多且更深入的研究和发展。然而目前关于仿贝壳珍珠层复合材料的相关研究还比较欠缺,因此研究贝壳珍珠层复合材料的力学特性不仅仅有着良好的科学意义,也有着良好的现实价值。本论文的主要研究工作为仿贝壳珍珠层复合材料的力学性能研究,主要研究仿贝壳珍珠层复合材料在准静态压缩工程状况和在子弹侵彻环境下的力学性能发展规律,论文主要分为两个部分:第一部分通过3D打印成型的方式,制备仿贝壳珍珠层复合材料的试样。3D打印成型技术具有高效、快捷、节省材料、精度比较高的特点,因此得到了越来越多的应用,特别是在复合材料的研究领域。本文所采用的3D打印试样由刚性不透明塑料VeroBlue作为主要组成部分,以软质类橡胶TangoBlack作为基质部分。然后通过变换不同的细部几何尺寸,制备出仿贝壳珍珠层复合材料的试样。实验采用准静态压缩加载的方式,来探究仿贝壳珍珠层复合材料准静态工程状况下压缩力学性能受细部几何尺寸的影响。而且本研究通过结合ABAQUS有限元分析软件的数值模拟结果,对部分实验进行相关验证对照,相关的验证对照显示结果比较吻合。通过准静态压缩的实验和模拟结果,我们可以发现,仿贝壳珍珠层复合材料的一些力学性能特征,如应力应变曲线、压缩模量、压缩强度、破坏吸收能量等受到材料细部几何尺寸影响比较大,如硬质砖块的长宽比、硬质砖块的宽度、软质胶层的厚度。结论显示比较小的软质胶层厚度和比较大的硬质砖块长宽比对力学性能的影响比较明显。第二部分主要通过ABAQUS有限元分析的手段,建立不同细部几何尺寸,且从单层到多层的3D打印仿贝壳珍珠层复合材料的动态分析数值模型。由于所采用的材料参数来自参考文献所指出的刚性塑料Veromagenta和软质类橡胶Tangoblackplus,和静态实验中所采用的试样材料十分相似,因此动态分析和静态实验的材料性能也十分相近。我们通过建立3D打印仿贝壳珍珠层复合材料和冲击物体加冲头的模型,探究侵彻环境下仿贝壳珍珠层复合材料的动态力学性能发展规律。我们发现仿贝壳珍珠层复合材料的抗侵彻性能和硬质砖块的长宽比、软质胶层的厚度和复合材料的设置层数有着十分密切的关系。而且模拟和参考文献的实验对应比较理想。总体上看,本文通过实验加上ABAQUS有限元分析的方法,研究了3D打印仿贝壳珍珠层复合材料