CuCrZr合金梯度混合三周期极小曲面结构的设计、制备与能量吸收性能研究

为解决传统多孔材料能量吸收效率不足的问题，研究人员通过融合Primitive(P)和Diamond(D)两种三周期极小曲面(TPMS)结构，设计出新型梯度复合晶格。实验表明，均匀壁厚的P1D5复合晶格比单一结构提升52.2%比吸能(SEA)，梯度结构GPD晶格更使SEA提高54.1%，并实现渐进式层状坍塌，为航空航天抗冲击材料设计提供新思路。

　　

在航空航天和生物医学等领域，材料需要兼具轻量化和高能量吸收能力。传统多孔材料如面心立方(FCC)晶格存在应力集中问题，而三周期极小曲面(TPMS)结构凭借其光滑连续表面和均匀应力分布展现出优势。然而，单一TPMS结构的能量吸收性能仍存在瓶颈，如何通过结构创新突破这一限制成为研究热点。

为解决这一问题，国内研究人员在《Materials Today Communications》发表研究，通过融合Primitive(P)和Diamond(D)两种TPMS结构，开发出新型梯度复合晶格。研究采用准静态压缩实验与有限元模拟相结合的方法，系统分析了5种均匀壁厚复合晶格和4种梯度结构的变形模式与应力-应变曲线。关键实验技术包括：激光粉末床熔融(LPBF)制备CuCrZr合金样品、计算机断层扫描(CT)检测结构完整性、基于相场的断裂预测模型等。

TPMS晶格结构设计与制备
通过数学隐函数控制壁厚梯度，设计出P1D5（最薄P与最厚D组合）等复合结构。增材制造样品经CT检测显示无显著缺陷，验证了工艺可行性。

耐撞性指标分析
P1D5复合晶格展现出延长的弹塑性阶段和高应力平台，比吸能(SEA)较单一P和D结构分别提升52.2%和7.32%。梯度结构GPD晶格在加载轴方向排列时，SEA进一步提高54.1%，压溃力效率(CFE)接近翻倍。

材料性能表征
使用15-53μm粒径的CuCrZr合金粉末，其近球形颗粒形态保障了打印质量。拉伸试样测试获取的力学参数为模拟提供数据支撑。

结论与意义
该研究创新性地提出TPMS结构复合策略，首次实现P与D结构的梯度杂化。渐进式层状坍塌变形模式和力-位移曲线上的多级吸能特征，证实了梯度设计可调控能量吸收路径。相比传统功能梯度方法，该研究通过拓扑结构优化开辟了新方向，为抗冲击结构设计提供了理论依据与工艺范本。相场模型与Bao-Wierzbicki准则的应用，也为复杂结构的断裂预测建立了方法论框架。