基于轴向与横向孔隙率梯度金刚石结构在不同承载角度下的能量吸收性能研究

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Research on the energy absorption performance of diamond structures with axial and transverse porosity gradients under different load-bearing angles

　　

背景：在生物医学、航空航天、汽车和海洋工程中，对结构高能量吸收性能的需求日益增长。三周期极小曲面（triply periodic minimal surface, TPMS）结构（如金刚石晶格）因其轻质特性和优异的能量吸收性能而成为有前景的解决方案，因此引起了广泛的研究兴趣。方法：本研究探讨了不同孔隙率分布的金刚石结构在不同加载角度下的能量吸收特性和变形行为。生成了具有轴向和横向孔隙率分布的均匀与梯度金刚石结构。对均匀结构进行了准静态压缩试验，同时采用有限元（finite element, FE）模拟研究了均匀和梯度构型的力学与能量吸收响应。利用准静态压缩试验和有限元模拟分析了压缩过程中能量吸收特性及变形/损伤模式的变化。结果：结果表明，加载方向和孔隙率梯度方向强烈影响金刚石结构的能量吸收响应。对于均匀结构，比吸能（specific energy absorption, SEA）在30°加载角度下增加至约8 kJ/kg，与0°和15°构型相比增加约33%，相应的平台应力达到约105 MPa。当加载角度增加到45°时，由于较早发生致密化，SEA下降至约4 kJ/kg。轴向梯度结构表现出增大的平台应力和略微提升的SEA，但其最大能量吸收效率仍低于约35%，而均匀结构约为40%。横向梯度结构的平台应力与具有相应平均孔隙率的均匀结构相当，但倾向于较早致密化，导致SEA降低。结论：这些发现为在不同加载条件下改善金刚石结构的能量吸收性能的设计与优化提供了有价值的见解，并为未来TPMS结构在生物医学应用中的发展提供了力学设计指导。

本研究聚焦于三周期极小曲面（TPMS）金刚石（Diamond）结构在轴向与横向孔隙率梯度及多角度承载条件下的能量吸收性能与变形机制。随着生物医学、航空航天、汽车及海洋工程领域对轻质高吸能结构需求的日益增长，TPMS结构因其高比强度、优异的能量吸收效率和连续光滑的表面应力分布特性而受到广泛关注。然而，现有研究多集中于均匀孔隙率TPMS结构，对于孔隙率线性梯度沿轴向和横向分布时，结构在不同承载角度下的能量吸收行为尚缺乏系统认识。为解决这一问题，研究人员以Ti-6Al-4V为基体材料，基于Flatt Pack Generator（版本3.35，英国诺丁汉大学）设计了单胞尺寸为3 mm×3 mm×3 mm、4×4×4排列的立方试样（12 mm×12 mm×12 mm）。以70%孔隙率均匀金刚石结构为基准，分别构建了沿轴向（z轴）和横向（y轴）孔隙率从60%线性变化至80%的梯度结构，并结合0°、15°、30°和45°四种绕X轴旋转的承载角度，共生成12种有限元模型。为保证对比的公平性，三种构型的实际固体体积偏差不超过0.16%，整体孔隙率均接近70%，从而将性能差异归因于孔隙率的空间重分布而非材料体积变化。在方法层面，研究人员采用ABAQUS/Explicit 2021开展准静态压缩模拟，使用C3D8R减缩积分六面体单元进行网格划分，并通过网格收敛性分析确定0.3 mm的特征单元尺寸。材料本构采用各向同性弹塑性模型，基于文献Ti-6Al-4V拉伸试验数据定义塑性曲线（屈服应力480 MPa，弹性模量110 GPa，泊松比0.3），损伤起始由Johnson–Cook准则描述（参数D?=-0.68，D?=0.73，D?=-0.25，D?=D?=0），损伤演化采用基于能量的模式I断裂能（19.86 N/mm）的刚度退化模型。接触设置为通用接触，法向为硬接触，切向为罚摩擦（摩擦系数0.08），上压板施加7.2 mm位移（对应60%名义压缩应变），并监控动能与内能比值始终低于5%以确保准静态条件。此外，对均匀结构还进行了准静态压缩试验验证，试样采用SLM Solutions SLM280系统制备，使用15–45 μm气雾化Ti-6Al-4V粉末，激光功率180 W，扫描速度1200 mm/s，层厚30 μm，扫描间距120 μm，在氩气保护（氧含量低于100 ppm）下成形，试验在SANS压缩试验机上进行，加载速率0.5 mm/min，每组均匀构型测试3个独立试样（n=3）。

研究结果分三部分呈现。首先，有限元模型验证方面，将70%孔隙率均匀结构在0°和45°加载下的应力-应变曲线与实验对比，数值预测能复现实验中的弹性响应、平台行为和致密化趋势，虽然存在局部差异（如应力上升起点略早），这些偏差归因于增材制造样品的几何缺陷、表面粗糙度及材料本构参数的文献来源差异，但整体一致性支持该有限元框架适用于定向对比分析。其次，能量吸收行为分析方面，均匀结构在30°加载角下表现出二次能量吸收平台，平台应力显著提升至约105 MPa，SEA达到约8 kJ/kg，相比0°和15°时约6 kJ/kg提高约33%；45°加载时致密化应变提前至约0.37，SEA降至约4 kJ/kg。轴向梯度结构在各加载角度下SEA略有提升，原因是平台应力显著增加而致密化应变变化不大，但其最大能量吸收效率低于35%（均匀结构约40%），表明能量转换效率有所下降。横向梯度结构的平台应力与对应平均孔隙率（70%）的均匀结构基本一致，但致密化更早发生，导致SEA呈下降趋势，其最大能量吸收效率约为40%，与均匀结构相当。最后，变形行为分析方面，通过提取15%、30%、45%和60%压缩应变下的应力云图发现：均匀结构在0°时无明显横向位移，15°时仅轻微横向变形，30°时出现明显的逐层挤压变形和单侧挤压/另一侧拉伸的非对称变形，应力云图显示分阶段载荷重新分配导致二次平台形成；45°时结构几乎立即致密化，表现出严重的应变硬化。轴向梯度结构因高孔隙率侧承载能力较弱，应力首先集中于该侧，导致局部变形并从高孔隙率区域逐层向低孔隙率区域传递。横向梯度结构则呈现低孔隙率侧应力始终高于高孔隙率侧的现象，挤压变形自低孔隙率侧萌生并传播至高孔隙率侧，但横向位移在不同加载角度下差异不显著。

讨论部分指出，拉伸主导与弯曲主导两种变形模式对金刚石结构的承载与吸能行为具有重要影响。本研究观察到的30°下二次平台现象并非所有斜向加载的普遍特征，而是金刚石拓扑中方向相关的载荷传递路径与分级结构参与共同作用的结果。结论部分翻译如下：轴向梯度金刚石结构表现出增强的承载能力和能量吸收性能，但能量吸收效率略有降低；横向梯度金刚石结构较早进入致密状态，导致比吸能下降；轴向梯度金刚石结构通过提高平台应力来增加比吸能；横向梯度金刚石结构的平台应力与具有中间孔隙率的均匀结构相当；不同结构在各种承载角度下的横向位移无明显差异。研究人员强调，从生物医学角度看，该研究提供了Ti-6Al-4V金刚石结构在加载方向和孔隙率梯度方向影响的力学设计见解，但仅凭压缩和能量吸收性能尚不能评估其在骨科或骨组织工程中的适用性，其他关键因素如孔隙连通性、渗透性、有效刚度、疲劳抗力、生物相容性、骨整合和血管化等仍需进一步的实验、生物学和长期力学研究。