激光粉末床熔融NiTi拱形螺旋点阵结构的混合设计实现高能量吸收与形状记忆恢复

本研究针对传统NiTi合金点阵结构在变形过程中节点应力集中导致的局部变形和能量吸收能力下降问题，通过混合结构设计将螺旋特征与拱形点阵结构(ALS)结合，开发了新型拱形螺旋点阵结构(ASLS)。采用激光粉末床熔融(LPBF)技术制备的ASLS结构通过有限元分析显示螺旋特征有效降低了应力集中，力学测试表明其能量吸收(EA)达241.32 J，比能量吸收(SEA)为16.62 J/g，较ALS分别提升297.89%和166.35%。形状记忆效应测试显示ASLS在10次压缩-热循环后累积不可逆应变仅0.449%，展现了优异的可重复使用性能，为航空航天缓冲、生物医学支架等领域的高性能点阵结构设计提供了新思路。

　　

在航空航天、生物医学和交通运输等领域，对具有高能量吸收能力和可重复使用性能的轻量化结构材料需求日益迫切。点阵结构因其独特的周期性排列设计，展现出卓越的比强度、比刚度和能量吸收特性，成为理想候选材料。然而，传统点阵结构如面心立方(FCC)和体心立方(BCC)在承受载荷时，节点处往往出现应力集中现象，导致局部变形区域超过材料的可逆应变极限，不仅降低了能量吸收效率，还影响了结构的形状恢复能力。

镍钛形状记忆合金(NiTi SMA)因其独特的形状记忆效应和超弹性而备受关注，这种特性源于可逆的马氏体-奥氏体相变。通过激光粉末床熔融(LPBF)技术，可以实现复杂NiTi点阵结构的精确制造，为开发智能可变形结构提供了可能。拱形点阵结构(Arch-shaped Lattice Structure, ALS)以其良好的稳定性、抗冲击性和设计灵活性成为研究热点，但与其他传统点阵拓扑类似，拱形结构在节点处同样存在应力集中问题，容易引发局部变形。

为了解决这一挑战，吉林大学化学技术与工程学院的蒋志恒研究团队提出了一种创新的混合结构设计策略，将螺旋几何特征与传统的拱形点阵结构相结合，开发出拱形螺旋点阵结构(Arch-shaped Spiral Lattice Structure, ASLS)。螺旋结构以其连续的几何特性而闻名，能够通过受控的扭转变形实现渐进式应力重新分布，有效缓解形状突变引起的应力和应变集中。

研究人员采用LPBF技术成功制备了NiTi合金的ALS和ASLS结构，通过系统的实验研究和有限元分析，深入探讨了这两种结构的力学性能、变形机制和形状记忆效应。研究显示，ASLS结构通过螺旋特征的引入，显著改善了应力分布状态，将峰值载荷从33.95 kN提升至66.12 kN，增幅达94.75%，同时断裂位移从3.21 mm增加至6.15 mm，提升91.59%。

在能量吸收性能方面，ASLS表现尤为突出，其能量吸收(EA)达到241.32 J，比能量吸收(SEA)为16.62 J/g，与ALS相比分别提升了297.89%和166.35%。这种显著的性能改善归因于螺旋结构独特的力-变形机制，在轴向压缩下，螺旋经历耦合的扭转和弯曲变形，有效将施加的应力沿其连续几何形状重新分布，而不是集中在离散节点上。

形状记忆效应测试结果表明，ASLS在第一次循环中的形状恢复率就达到99.9%，而ALS为99.5%。经过10次压缩-热循环后，两种点阵结构均能实现完全恢复，ASLS的累积不可逆应变稳定在0.449%，明显低于ALS的0.873%。这一发现证实了螺旋特征对提升点阵结构形状记忆性能的积极影响。

通过电子背散射衍射(EBSD)技术对微观结构的分析揭示了两种结构在相同压缩载荷下的不同演化行为。ALS经历了显著的晶粒细化，柱状晶转变为等轴晶，而ASLS则保持了相对稳定的微观结构。这种差异表明ASLS在承载过程中具有更均匀的应力分布和更低的局部应力状态，从而表现出更好的损伤容限。

关键技术方法

本研究采用激光粉末床熔融(LPBF)技术制备NiTi合金点阵结构，使用成分为Ni_50.5Ti_49.5 (at.%)的预合金粉末。通过有限元分析(ABAQUS 2022/Explicit模块)模拟点阵结构在准静态单轴压缩下的变形行为和应力分布特性。力学性能测试采用CMT5205试验机进行单轴准静态压缩实验，利用扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)表征微观结构，通过差示扫描量热法(DSC)分析相变行为，并开展压缩-热循环实验评估形状记忆效应。

3.1. 压缩下点阵结构的有限元分析

有限元分析结果表明，在相同应变条件下，ASLS单元细胞的应力集中显著低于ALS。螺旋特征在轴向压缩下发生耦合的扭转和弯曲变形，有效重新分布施加的应力，促进更均匀的应力应变分布。ASLS的最大载荷为74.59 kN，断裂位移为8 mm，分别比ALS提高了120.35%和92.3%。

3.2. 成形质量

SEM观察显示，两种点阵结构表面均无可见裂纹或几何变形，ASLS的螺旋特征制造精度高，与设计几何形状吻合良好。尺寸测量表明，实际尺寸与设计尺寸的相对误差仅为0.72%，主要归因于粉末粘附和阶梯效应。

3.3. 相变行为

DSC曲线显示，LPBF加工的点阵结构发生了B19′马氏体与B2奥氏体之间的可逆相变。与预合金粉末相比，加工后样品的相变温度有所升高，这主要与激光加工过程中Ni元素蒸发导致的成分变化有关。

3.4. 力学性能

压缩实验的力-位移曲线表明，ASLS在达到峰值载荷后没有立即断裂，表现出更好的损伤容限。ASLS的峰值载荷为66.12 kN，比ALS提高了94.75%，断裂位移为6.15 mm，提高了91.59%。有限元模拟与实验结果在趋势上吻合良好。

3.5. 能量吸收

ASLS的能量吸收性能显著优于ALS，EA和SEA分别达到241.32 J和16.62 J/g，比ALS提高了297.89%和166.35%。与文献报道的各种点阵结构相比，ASLS在能量吸收能力和比压缩强度方面均表现出色。

3.6. 形状记忆效应

经过10次压缩-热循环后，ASLS表现出更优的形状记忆稳定性，累积不可逆应变仅为0.449%，而ALS为0.873%。ASLS在第5次循环时就达到了完全形状恢复(100%)，而ALS需要8次循环。

研究结论与意义

本研究通过混合结构设计策略成功开发出具有优异能量吸收和形状记忆性能的NiTi拱形螺旋点阵结构。螺旋特征的引入有效缓解了传统点阵结构的应力集中问题，改变了结构的变形和断裂模式，从突然的剪切破坏转变为渐进的、层层失效的模式。这种设计不仅显著提升了点阵结构的机械性能，还改善了其功能稳定性，为开发高性能、可重复使用的智能点阵结构提供了新的设计思路和技术参考。

该研究的创新点在于将螺旋几何的连续特性与拱形点阵的结构优势相结合，通过简单的结构修改实现了性能的显著提升。这种混合设计策略可以扩展到其他材料体系和点阵拓扑，为航空航天缓冲系统、生物医学支架和可重复使用防护装备等领域的应用提供了有价值的解决方案。研究成果展示了LPBF技术在制造复杂功能结构方面的巨大潜力，为未来智能材料结构的一体化设计奠定了理论基础。