使用热塑性聚氨酯复合材料的不同配方，通过增材制造技术制备具有梯度刚度的蜂窝结构

《Advanced Engineering Materials》：Additive Manufacturing of Gradient Stiffness Honeycombs Using Thermoplastic Polyurethane Composite Material Variations

梯度刚度蜂窝结构通过双喷头3D打印技术结合发泡TPU与碳纤维增强TPU实现材料梯度分布，有效调控不同应力下的能量吸收性能。实验表明梯度结构在0.2MPa以下应力范围具有0.028-0.077J/cm3的特定能量吸收值，致密化应变达59%，较均匀结构提升21.8%-29.2%。SEM分析揭示材料微观结构差异，数字图像相关技术证实梯度设计可实现多阶段致密化。本研究为轻量化多场景防护结构开发提供了新方法。

　　近年来，随着材料科学与制造技术的不断发展，梯度刚度结构因其独特的能量吸收特性在多个工程领域中受到越来越多的关注。这类结构通过在材料内部实现刚度的渐变，可以在不同应力条件下展现出更广泛的应用潜力。在众多材料中，聚氨酯（TPU）因其良好的延展性、柔韧性、高强度以及优异的耐化学性和耐磨性，成为研究的热点。与此同时，3D打印技术的成熟为复杂结构的定制化制造提供了新的可能性，使得设计和生产具有梯度刚度特性的结构成为现实。本文提出了一种新颖的方法，利用TPU复合材料结合多孔TPU和碳纤维（CF）增强TPU，通过调整材料组成实现梯度刚度的控制。这种设计不仅避免了传统方法中依赖厚度变化的局限，还提高了结构的层间结合力，从而提升了整体性能。

### 材料与制造背景

TPU作为一种热塑性弹性体，广泛应用于医疗、汽车、建筑、生物工程以及电缆护套等多个领域。其独特的物理性能使其成为能量吸收结构的理想候选材料。然而，TPU本身的刚度相对较低，因此通过引入其他材料或改性方法，如添加化学发泡剂（CBA）以形成多孔结构，或引入碳纤维以增强其机械性能，可以有效提升TPU的刚度和承载能力。传统的制造方法通常依赖于改变结构的厚度或几何形状来实现刚度梯度，而这种方法在制造过程中往往受到材料特性和工艺限制的影响，难以实现复杂的梯度设计。

本文的研究采用了一种基于3D打印的新型制造策略，利用双喷嘴打印机分别打印含发泡剂的TPU和含碳纤维的TPU，通过在打印过程中切换喷嘴和调整温度，实现梯度刚度结构的构建。该方法的最大优势在于，它能够在不改变材料整体结构的前提下，通过调整材料组成来实现刚度的梯度变化，从而保证了结构的连贯性和稳定性。这种设计思路避免了传统多材料结构中常见的层间结合不良问题，为构建高性能、高适应性的能量吸收结构提供了新的可能性。

### 实验设计与材料性能分析

在实验过程中，研究人员首先对TPU材料进行了详细的性能测试，包括拉伸试验和扫描电子显微镜（SEM）分析。拉伸试验的结果显示，含碳纤维的TPU表现出显著更高的刚度和拉伸强度，其极限拉伸强度达到了32 MPa，而纯TPU的极限拉伸强度则分别为22.73 MPa（固体TPU）和13.35 MPa（多孔TPU）。这些数据表明，碳纤维的引入有效提升了TPU的机械性能，但同时也降低了其延展性。相比之下，多孔TPU虽然刚度较低，但在较低应力水平下展现出更优异的能量吸收能力。

SEM图像进一步揭示了不同材料在断裂过程中的微观结构差异。含碳纤维的TPU材料在断裂面上呈现出明显的纤维分布，表明其在受力时的变形模式与纯TPU存在显著区别。而多孔TPU的断裂面则显示出更多的气泡和空隙，说明其在变形过程中主要依赖于孔隙的压缩和变形来吸收能量。这些微观特征为理解不同材料在宏观结构中的行为提供了重要依据，也验证了研究中所采用的材料组合策略的合理性。

为了进一步验证梯度刚度结构的性能，研究人员设计了不同阶段的梯度结构，包括两阶段和三阶段的组合。其中，三阶段结构由多孔TPU、固体TPU和碳纤维增强TPU三种材料组成，通过调整喷嘴切换和打印温度，使得不同区域的材料刚度差异得以精确控制。这种设计方法不仅能够实现更复杂的刚度分布，还能够通过不同的材料组合，优化结构在不同应力条件下的能量吸收性能。

### 梯度结构的压缩性能与能量吸收能力

在压缩测试中，研究团队采用恒定应变速率（0.025 s?1）对不同结构进行评估。结果表明，碳纤维增强TPU在高应力条件下（>0.2 MPa）表现出最佳的能量吸收性能，其特定能量吸收值（SEA）达到0.09 J/cm3，而多孔TPU则在低应力条件下表现更优，其SEA值为0.02 J/cm3。相比之下，梯度刚度结构在不同应力水平下均展现出良好的能量吸收能力，其SEA值范围为0.028至0.077 J/cm3。这一结果表明，梯度结构能够在更广泛的应力范围内实现高效能量吸收，从而提升其在多种应用场景中的适应性。

进一步分析发现，梯度结构的压缩曲线中呈现出多个平台区域和密度化阶段，这与传统的厚度梯度结构具有相似的力学行为。在低应力阶段，梯度结构的刚度主要由较软的多孔TPU决定，随着应力的增加，较硬的固体TPU和碳纤维增强TPU逐渐发挥作用，最终实现整体结构的密度化。这种多阶段的变形机制使得梯度结构能够更有效地吸收不同级别的能量，尤其是在应对复杂载荷条件时，其性能优势更加明显。

此外，研究团队还利用数字图像相关（DIC）技术对压缩过程中的位移分布进行了分析。DIC图像显示，梯度结构在不同阶段表现出不同的变形模式，包括初始的弹性屈曲、中间阶段的平台区以及最终的密度化过程。这种多阶段的变形机制与传统结构相比更加复杂，但也更具优势。通过这种方式，梯度结构能够实现更均匀的能量分布，减少局部应力集中，从而提高整体结构的稳定性和安全性。

### 有限元分析（FEM）与结构优化

为了更深入地理解梯度结构的力学行为，研究团队还进行了有限元分析（FEM）。在FEM模型中，结构被划分为不同的区域，每个区域采用不同的材料模型进行模拟。通过这种方式，研究团队能够更精确地预测梯度结构在压缩过程中的力学响应，并与实验结果进行对比分析。结果显示，FEM模拟在弹性阶段与实验数据高度吻合，但在平台阶段和密度化阶段存在一定的偏差。这可能是由于材料模型的简化以及打印过程中不可避免的工艺缺陷所致。

尽管存在一定的模拟误差，FEM分析仍然为优化梯度结构的设计提供了重要的参考。通过调整材料分布和结构参数，研究团队能够进一步提升梯度结构的能量吸收效率和密度化应变。例如，三阶段结构的FEM模拟显示，其在压缩过程中能够经历多个密度化阶段，这种多阶段行为与实验结果高度一致，进一步验证了该结构设计的有效性。

### 结构性能与应用前景

综合来看，梯度刚度结构在能量吸收方面表现出显著的优势。相比于传统的均匀材料结构，梯度结构能够在更广泛的应力范围内实现高效能量吸收，这使得其在多种应用场景中具有更高的适应性。例如，在高应力条件下，碳纤维增强TPU能够提供更强的承载能力，而在低应力条件下，多孔TPU则能够更有效地吸收能量。通过合理的材料组合和结构设计，梯度结构能够实现性能的优化，满足不同工程需求。

此外，梯度结构的密度化应变也得到了显著提升，最高可达59%，而传统结构的密度化应变仅为48%–52%。这一结果表明，梯度结构在承受较大变形时仍能保持较高的稳定性，从而在冲击吸收和能量耗散方面具有更强的能力。这种性能优势对于需要高安全性、高可靠性的工程结构（如汽车碰撞吸能部件、航天器防护结构、医疗防护设备等）具有重要意义。

在实际应用中，梯度刚度结构的制造方法为工程师提供了一种新的设计思路。传统的厚度梯度结构虽然能够实现一定的刚度变化，但其制造过程往往受到材料特性和工艺限制的影响。而本文提出的基于材料组成的梯度结构则突破了这些限制，使得复杂结构的制造更加灵活和高效。同时，由于所有材料都基于TPU基体，因此结构的层间结合更加紧密，避免了传统多材料结构中常见的分层问题，提高了整体结构的可靠性。

### 结论与展望

综上所述，本文通过引入不同的TPU材料组合，成功设计并制造出具有梯度刚度特性的蜂窝结构。这种结构在不同应力条件下均表现出优异的能量吸收性能，尤其是在高应力和低应力环境中分别展现了碳纤维增强TPU和多孔TPU的优势。同时，梯度结构的密度化应变也得到了显著提升，进一步增强了其在复杂载荷条件下的适应性。

未来，随着3D打印技术的不断进步，梯度刚度结构的设计和制造将变得更加精确和高效。通过进一步优化材料组合和打印参数，可以实现更精细的刚度控制，从而满足更多特定的应用需求。此外，结合其他先进的制造技术，如智能材料和多材料打印，可以推动梯度结构向更复杂的形态发展，为新型能量吸收系统的开发提供更广阔的空间。梯度刚度结构不仅能够提升材料的性能，还能够为实现轻量化、高效率的工程结构提供新的解决方案，具有广阔的应用前景。