TPMS拓扑结构调控TC4/Mg互穿复合材料变形损伤机理的定量研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Topology-driven deformation and damage behavior of TPMS-reinforced TC4/Mg interpenetrating-phase composites

本文系统研究了三种三周期极小曲面（TPMS）拓扑结构（Diamond, Gyroid, Split_P）对选择性激光熔融（SLM）制备的TC4骨架/镁互穿复合材料拉伸性能、应变演化及失效模式的调控作用。通过引入欧拉特征、连通性等拓扑不变量及新几何参数（截面斜率K值），首次建立了微观拓扑复杂性与宏观力学性能的定量关系，为高性能损伤容限复合材料的设计提供了新理论框架。

　　

Highlight

这项研究揭示了TPMS拓扑结构作为关键设计变量，对钛镁互穿复合材料的变形和损伤行为具有决定性影响。通过结合先进的实验表征和计算模拟，我们首次建立了连接微观拓扑特征与宏观力学响应的定量关系，将TPMS几何构型从可调变量提升为预测性设计工具。

Results

在微观结构和力学表征之前，我们对制备的复合材料进行了密度测量，以定量评估无压渗透工艺的有效性。选择Gyroid结构作为代表性案例进行分析。结果表明材料致密化程度高，平均相对密度达到99.6±0.2%。相应的残余孔隙率低于0.5%，证实该制造工艺能够生产出高质量的近全致密复合材料，为后续可靠的力学性能测试奠定了基础。

三种TPMS结构（Diamond, Split_P, Gyroid）的复合材料表现出截然不同的拉伸应力-应变响应。Diamond结构展现出最高的屈服强度（182.5±3.5 MPa）和一个稳定的塑性平台。Gyroid结构尽管屈服强度较低，但表现出卓越的延展性（断裂应变 > 3.5%）。相比之下，Split_P结构由于严重的应变集中，显示出较差的塑性变形能力和快速的脆性断裂。

利用数字图像相关（DIC）技术进行的全场应变分析，直观地揭示了不同拓扑结构对应的应变局域化模式。Gyroid结构的光滑曲面促进了均匀的应变分布，有效抑制了应力集中。而Split_P结构的复杂拓扑则导致了明显的应变集中带，成为裂纹萌生的优先位置。

有限元法（FEM）模拟结果与实验观察高度一致，进一步阐明了潜在的力学机制。模拟显示，在Gyroid和Diamond结构中，应力能够更有效地从较软的镁基体传递到刚性的TC4骨架。然而，在Split_P结构中，其独特的几何特征导致了显著的应力集中，从而引发早期损伤。

电子背散射衍射（EBSD）实验为理解微观变形机制提供了关键证据。结果表明，塑性变形主要局限于镁相，而TC4骨架在整个加载过程中主要承担弹性载荷。这证实了两种组元之间存在的协同力学行为，与模拟预测相符。

Discussion

本研究系统分析了三种TPMS架构（Diamond, Split_P, Gyroid）对钛镁复合材料力学行为和失效模式的主导性影响。在讨论具体机制之前，需要先说明与样品和单胞尺寸相关的一个关键实验设计问题。由于所选单胞尺寸（5 mm）和试样标距宽度（4 mm）的限制，标距段内包含的完整单胞数量有限（大约1-2个）。这种“亚尺寸”效应可能会引入边界效应，并可能影响绝对力学性能。然而，本研究的主要目标是揭示不同拓扑结构之间的相对比较和内在机制，而非获取适用于任意尺寸结构的绝对性能数据。在这种对比研究框架下，所有样品在相同的尺寸约束下进行比较，因此拓扑效应本身仍然是主导因素，其相对性能差异和内在机理的结论是可靠且有效的。

核心发现在于，我们成功引入了拓扑不变量（如欧拉特征χ和连通性）以及一个新提出的几何参数——截面斜率K值，来量化拓扑复杂性。分析表明，Gyroid结构的高连通性和负的欧拉特征，结合其平缓变化的曲率（低K值），是实现均匀应变分布和优异延展性的根本原因。相反，Split_P结构内部存在的急剧几何过渡（高K值区域）是导致应变集中和脆性断裂的根源。Diamond结构则表现出中间特性。这建立了一种定量的“结构-性能”关系。

这项工作的核心贡献在于超越了传统的定性比较，首次为TPMS增强复合材料建立了一个定量预测框架。该框架将抽象的拓扑描述符与工程相关的力学性能（如强度、延展性、损伤模式）直接联系起来。这使得TPMS几何构型从一个需要反复试验调整的变量，转变为一个能够预测复合材料宏观响应的强大设计工具。

Conclusion

本研究成功建立并实验验证了一个连接基本拓扑不变量与TPMS增强复合材料宏观力学性能的定量框架，为此类材料的“材料设计”提供了新的理论范式。主要结论如下：

1. 1.
   该框架揭示拓扑结构是决定复合材料损伤模式的根本因素。Gyroid结构优异的延展性（断裂应变>3.5%）源于其光滑曲面促进的均匀应变分布，而Split_P结构的脆性断裂则归因于其复杂几何形状引起的严重应变集中。
2. 2.
   通过引入欧拉特征、连通性等拓扑不变量以及新提出的几何参数（截面斜率K值），首次定量地将微观拓扑复杂性与宏观力学性能联系起来。
3. 3.
   电子背散射衍射（EBSD）分析证实了TC4骨架和镁基体之间的协同载荷传递机制，其中塑性变形主要局限于镁相，而TC4骨架作为主要的弹性承载相。
4. 4.
   该研究将TPMS拓扑从可调变量提升为预测性设计工具，为设计高性能、损伤容限复合材料提供了新颖的理论基础和可量化的设计准则。