水泥基建筑材料的3D打印及其性能研究

供稿人:随雨浓 鲁中良
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室　

研究人员对水泥基材料的分级设计及增材制造越来越感兴趣，然而水泥基材料的脆性行为和AM过程的存在是一个重大的挑战。来自美国普渡大学的研究团队采用新的架构（基于生物启发的Bouligand结构）来利用异质界面提高水泥基材料的抗断裂能力。研究发现Bouligand结构的存在时构件产生了独特的损伤机制，这使得固有脆性hcp材料获得更高的容错性能和新的性能特征。假设将异质界面与精心设计的体系结构相结合可以促进诸如界面微裂纹和裂纹扭转等损伤机制。进一步发现，与传统的使用相同材料铸造的构件相比，借由3D打印方法成型的Bouligand体系结构可以使hcp构件的失效降低50%，非弹性挠度提高50%以上。

Bouligand结构最初在节肢动物（螳螂虾）的内脏中被发现，曾被报道可以为hcp材料结构元件引入韧性损伤机制。目前Bouligand结构已被应用于工程材料领域，通过使裂纹逐步扩展、裂纹重定向等增强结构韧性断裂能力，防止发生灾难性故障。

图1.硬化水泥浆体（hcp）元件的各种3D打印结构;a)蜂窝状结构;b)蜂窝夹芯板结构，上下两层为实心;c,d)Bouligand架构，相邻两层夹角γ=2°，45°;e,f）分别为建立的三维初始模型，所有标尺均为10.0毫米长

图2.在3PB测试中测试了具有不同结构的3D打印实体零件的力学响应;a)显示打印取向方向的样品顶面（x-z平面）示意图;b)3PB实验示意图;c)3d打印件与铸件的断裂比模量;d-f)0°、45°和90°打印取向试样破坏后图像，显示裂纹路径;g-i)试样底面裂纹路径（沿着y轴观察）;j-i)0°、45°和90°打印取向试样破坏后图像，显示微裂纹

图2.在3PB测试中测试了具有不同结构的3D打印实体零件的力学响应;a)显示打印取向方向的样品顶面（x-z平面）示意图;b)3PB实验示意图;c)3d打印件与铸件的断裂比模量;d-f)0°、45°和90°打印取向试样破坏后图像，显示裂纹路径;g-i)试样底面裂纹路径（沿着y轴观察）;j-i)0°、45°和90°打印取向试样破坏后图像，显示微裂纹

由上图c可知，铸件试样取得最小弯曲强度，对于3D打印试样来说，当3D打印路径垂直于三点弯曲外载荷的方向时，试样取得最大抗弯强度，当路径与外载荷夹角为45°时，抗弯强度明显小于前者。当打印路径与外载荷夹角为0°时，3D打印试样取得最小弯曲强度，仅略大于铸件试样。通过对比不同打印取向的试样的裂纹方向，可以发现3D打印元件中的裂纹路径可以通过改变打印丝的方向来控制。进一步得出，如果通过引导裂纹促进局部硬化的体系结构即Bouligand与上述损伤机制相结合，可以实现定制局部强化的3D打印元件。

参考文献：
Mohamadreza, Moini, Jan, et al. Additive Manufacturing and Performance of Architectured Cement‐Based Materials[J]. Advanced Materials, 2018.
https://xs.scihub.ltd/https://doi.org/10.1002/adma.201802123