五种基于3D打印聚合物的材料的应变率敏感性

《Polymer》：Strain rate sensitivity of five 3D printed polymer-based materials

应变率敏感性研究显示，ABS、尼龙、PLA、TPLA和TPU五种3D打印聚合物在单轴压缩下均表现出正应变率敏感性，其中PLA强度最高（A=90.8 MPa），TPU最弱（A=7.9 MPa）。通过SHPB和准静态测试结合X射线CT扫描分析孔隙率，发现尼龙和TPU孔隙率最高。Johnson-Cook模型对ABS、尼龙、PLA、TPLA的应变率效应预测合理（C值0.049-0.073），但对TPU的预测偏差显著，因其高应变率下表现出的粘弹性特性与模型假设不符。

　　### 解读：3D打印聚合物材料的应变率敏感性研究

近年来，3D打印技术在工程和材料科学领域取得了显著进展，特别是在制造复杂结构和多材料组合方面展现出了巨大潜力。这一技术的广泛应用不仅限于原型设计，还逐渐渗透到航空航天、生物医学、建筑和防护结构等关键领域。3D打印技术通过逐层沉积材料的方式，可以实现高度定制化的制造，为工业生产提供了新的可能性。然而，尽管3D打印材料在静态载荷下的性能已得到广泛研究，其在动态载荷下的行为特性仍存在诸多未知。因此，研究这些材料在不同应变率下的力学响应对于提升其在实际应用中的可靠性至关重要。

本研究聚焦于五种常见的3D打印聚合物材料：丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、尼龙、聚乳酸（PLA）、增强型聚乳酸（TPLA）以及热塑性聚氨酯（TPU）。这些材料因其良好的加工性能和广泛应用而受到关注。研究者采用Ultimaker S5 3D打印机制造了直径为8毫米、高度为8毫米的圆柱形试样，并通过X射线计算机断层扫描（CT）技术评估了其制造质量。CT扫描的分辨率为27微米，能够清晰地揭示试样内部的微观结构特征，如孔隙分布、层间缺陷等。通过分析这些结构特征，研究者能够更好地理解材料在不同应变率下的性能差异。

研究发现，TPU和尼龙这两种材料在3D打印过程中表现出最高的孔隙率。孔隙的存在可能会影响材料的力学性能，尤其是在动态载荷下，孔隙可能会成为应力集中点，从而影响材料的强度和延展性。相比之下，ABS和TPLA的孔隙率较低，这可能与其较高的致密性有关。此外，研究还指出，TPU的孔隙分布较为均匀，而尼龙的孔隙主要集中在试样的中心轴线上。这种结构上的差异可能进一步解释了它们在动态载荷下的不同表现。

为了评估材料的应变率敏感性，研究者采用了两种不同的实验方法：一种是使用通用测试机进行低应变率测试，应变率范围为10?3/s到1/s；另一种是采用分裂霍普金森压力杆（SHPB）系统进行高应变率测试，应变率范围为102/s到103/s。SHPB系统是一种用于研究材料在极端应变率下行为的常用设备，它能够提供高精度的动态应力应变数据。然而，由于聚合物材料的低阻抗特性，SHPB测试中所获得的应力波幅较低，从而对数据采集提出了更高要求。为了解决这一问题，研究者在试样与压力杆之间使用了润滑剂，以确保应力的有效传递并减少摩擦带来的误差。

实验结果显示，所有五种材料均表现出正的应变率敏感性，即随着应变率的增加，材料的强度也随之提升。这种现象在聚合物材料中较为常见，因为快速加载条件下，材料分子没有足够的时间进行重排，从而导致其在高应变率下表现出更高的刚度和强度。然而，这种趋势在不同材料之间存在显著差异。例如，PLA在所有应变率下均显示出最高的真屈服强度（A值为90.8 MPa）和应变硬化模量（B值为141.4 MPa），使其成为在塑性变形下表现最佳的材料之一。相比之下，TPU的真屈服强度和应变硬化模量都较低，分别为7.9 MPa和197.4 MPa，这与其高度柔韧和可变形的特性相符。

在应变硬化系数（n）方面，TPU表现出最低的值（1.19），表明其在塑性变形过程中对应力的抵抗能力较弱。而尼龙的应变硬化系数最高（331.3 MPa），说明其在塑性变形阶段能够吸收更多的能量。这些参数的差异不仅反映了材料本身的特性，也揭示了不同材料在动态载荷下的行为差异。因此，在选择材料用于特定应用场景时，需要综合考虑其在不同应变率下的表现。

研究还对Johnson-Cook（J-C）材料模型进行了验证。该模型是一种广泛应用于动态力学分析的本构模型，能够描述材料在不同应变率、温度和塑性变形条件下的行为。J-C模型的参数包括屈服应力（A）、应变硬化系数（B）、应变率敏感系数（C）以及幂指数（n）。通过将这些参数应用于数值模拟，研究者能够预测材料在不同应变率下的力学响应。然而，研究发现，J-C模型在预测TPU的动态行为时存在较大偏差。这可能是由于TPU具有高度的超粘弹性特性，其在静态和动态载荷下的响应差异显著，而J-C模型未能充分捕捉这种粘弹性效应。

尽管J-C模型在预测ABS、尼龙、PLA和TPLA的动态行为时表现良好，但在某些情况下仍然存在一定的局限性。例如，对于尼龙，J-C模型在高应变率下的预测值高于实验数据，这可能与其复杂的变形机制有关。同样，PLA和TPLA在高应变率下的预测值也略高于实验数据，表明该模型在某些情况下可能高估了材料的强度。这些发现强调了在动态载荷下，需要采用更精确的材料模型来描述聚合物材料的行为。

此外，研究还指出，由于3D打印材料的各向异性特性，其动态响应需要进一步研究。各向异性是指材料在不同方向上的性能差异，这在3D打印过程中由于逐层沉积的制造方式而普遍存在。这种各向异性可能会影响材料在不同方向上的承载能力和变形模式。因此，在进行动态载荷分析时，需要考虑材料的方向性，并结合实验数据进行校准。

本研究的结果对于未来的数值模拟和实验研究具有重要意义。通过提供详细的应变率敏感性数据和J-C模型参数，研究者为其他研究人员和工程师提供了宝贵的信息，有助于他们更好地理解和应用这些材料。例如，在有限元分析（FEA）软件中，用户可以直接导入实验获得的应力应变曲线，或者提取相关参数以近似材料的行为。这种方法虽然能够提供高精度的模拟结果，但计算成本较高。相比之下，使用J-C模型等本构模型可以在保持一定精度的同时，提高计算效率，从而更适合于大规模的工程模拟。

总的来说，这项研究不仅揭示了五种常见3D打印聚合物材料在不同应变率下的力学响应特性，还评估了J-C模型在预测这些材料动态行为中的适用性。研究结果表明，尽管J-C模型在大多数情况下能够有效描述材料的应变率敏感性，但在某些材料（如TPU）的情况下仍存在一定的局限性。因此，未来的研究需要进一步探索更适用于聚合物材料的本构模型，以提高预测的准确性。同时，随着3D打印技术的不断发展，材料的制造工艺和性能参数也在不断优化，这为更广泛的应用提供了可能性。本研究的发现不仅有助于推动3D打印材料在动态载荷下的应用，也为相关领域的进一步研究奠定了基础。