酸不稳定保护基结构对Core-First RAFT合成三臂光刻胶微米级图案化性能的影响

《Polymers》：Effect of Acid-Labile Protecting-Group Structure on the Micrometer-Scale Patterning Performance of Core-First RAFT-Synthesized Three-Arm Photoresists

　　

： 节点圆角半径对熔融沉积成型（FDM）打印聚合物蜂窝结构的压缩性能具有显著影响，然而针对PETG拉胀结构的定量设计准则仍然匮乏。本研究通过准静态压缩试验，研究了梯度节点圆角半径（R0–R7 mm）对PETG拉胀蜂窝结构承载能力、变形机制和能量吸收的影响。研究结果揭示了一种双重竞争机制：应力均匀化改善了压溃稳定性，而节点横截面削弱则降低了结构刚度。在六种构型中，R5（圆角半径与胞元间距比为35.7%）实现了最佳的均衡性能，其峰值强度为0.35 MPa，比能量吸收为335.25 J/kg，且以渐进方式压溃而无不发生灾难性载荷跌落。在R3 mm时，节点削弱提高了工作应力并导致过早的脆性断裂；在R7 mm时，过度圆角将峰值强度降至0.30 MPa，略低于无圆角对照组。尽管无圆角的R0表现出最高的总能量吸收、比能量吸收（342.62 J/kg）和效率（46.97%），但其直角节点引发了无序的脆性坍塌，危及服役安全性。由此产生的帕累托权衡表明，适度圆角能够最佳地平衡强度与能量吸收，为3D打印聚合物轻质防护构件的拓扑优化提供了参数指导。

论文解读文章

一、研究背景与问题

聚合物多孔超材料凭借其高设计性和可调力学性能，在增材制造领域已成为重要研究方向，广泛应用于航空航天防护、交通运输冲击缓解和智能可穿戴等轻量化功能场景。熔融沉积成型（FDM）作为应用最广泛的聚合物3D打印技术之一，能够实现快速一体化制造，兼具成本可控和尺寸精度一致等优势，特别适用于轻质聚合物吸能构件的大规模生产。拉胀蜂窝结构作为工程中常用的构型，可通过调整节点参数精确调控整体力学响应和能量吸收特性。

然而，传统FDM打印蜂窝结构中广泛采用的直角节点在压缩载荷下极易诱发应力集中奇异性，加速裂纹萌生和快速扩展，最终导致突发性脆性断裂和悬崖式载荷跌落。压溃过程因此变得无序，严重削弱了结构的承载稳定性和能量吸收效率，使PETG的高韧性无法得到充分发挥。已有研究证实，通过圆角半径进行拓扑修形能够优化节点应力分布、重塑塑性变形路径并增强结构耐撞稳定性，但现有优化工作主要集中于星形、内凹和手性等不规则仿生拓扑，且多以金属和PLA为基材，其结论难以直接推广至工程中广泛使用的PETG拉胀蜂窝结构。此外，针对工业常见蜂窝结构的节点修形研究仍不充分，可便捷实施的工程设计参数较为匮乏，圆角参数对PETG蜂窝结构压缩屈曲、裂纹扩展和层间失效的梯度调控规律尚未系统建立，最优圆角参数范围仍不明确，缺乏可靠的实验数据作为设计依据。

二、研究内容与意义

针对上述研究空白，本研究以FDM制备的PETG拉胀蜂窝结构为研究对象，设计了六组不同节点圆角半径的试样并开展准静态压缩试验，定量分析圆角半径对承载能力、能量吸收和压溃稳定性的影响，重点揭示节点应力均匀化与承载截面削弱之间的双重竞争机制，为轻质聚合物吸能构件的拓扑参数设计提供实验依据。研究论文发表于《Polymers》。

三、关键技术方法

研究人员采用内凹拉胀蜂窝结构，严格控制单一变量，所有试样统一外形尺寸（高74 mm，截面70 mm×20 mm，胞元间距14 mm，肋宽1 mm），以节点圆角半径为唯一变量，设计六组梯度比例构型：0（R0对照组）、10.7%（R1.5 mm）、21.4%（R3 mm）、35.7%（R5 mm）、46.4%（R6.5 mm）和50.0%（R7 mm）。材料选用Polymaker公司（中国苏州）的商业高韧性PolyLite? PETG丝材（标称直径1.75±0.02 mm），打印前经60 °C通风烘箱干燥8小时。所有试样采用Ender-3 S1 Pro FDM打印机（Creality，中国深圳）配合标准0.4 mm黄铜喷嘴制造，统一打印参数为：喷嘴温度230 °C、热床温度60 °C、层高0.20 mm、打印速度50 mm/s、填充密度60%、冷却风扇转速100%、填充线宽0.4 mm、回抽距离4 mm。压缩试验依据GB/T 31930-2015/ISO 13314:2011标准，采用DNS100电子万能试验机（长春机械科学研究院，中国长春），在室温常压条件下以5 mm/min恒定加载速率进行位移控制模式加载，最大压缩位移约40 mm。每组设置三个平行试样，采用Kruskal–Wallis非参数检验和置换检验进行统计分析。

四、研究结果

3.1 压缩载荷–位移曲线与变形模式

六组不同圆角半径的PETG试样均表现出多孔超材料典型的三阶段变形行为：初始弹性阶段、平台压溃阶段和致密化阶段。圆角半径对压缩响应和变形模式具有显著的梯度调控作用。R0无圆角试样在直角节点处表现出显著的应力集中，压缩中后期频繁出现悬崖式载荷跌落，对应节点处的快速裂纹扩展和突发局部断裂，压溃连续性差且呈无序脆性破坏。R3 mm试样虽然消除了尖角应力集中奇异性，但节点承载截面削弱更为明显，截面减小导致节点处整体工作应力水平升高，与残余应力梯度叠加后呈现类似应力集中的脆性断裂行为，压缩过程中频繁出现大幅载荷突变。R1.5 mm试样部分缓解了节点应力集中，压溃过程平滑且载荷波动最小，载荷波动系数为所有组中最低，但圆弧过渡改变了肋的承载支点，降低了临界屈曲载荷，导致压缩过程过早进入致密化阶段，缩短了有效吸能区间。R5 mm中等圆角试样曲线平滑规整，无显著载荷跌落，平台段载荷呈有序渐进波动，呈现典型的逐层渐进塑性压溃模式。R6.5和R7 mm大圆角试样完全消除了节点应力集中，压溃过程更加稳定，但过度圆角大幅削减了有效承载截面，导致整体结构刚度显著下降，平台段载荷基线降低，承载能力和吸能上限均受到限制。

3.2 峰值载荷与峰值强度分析

以无圆角R0试样为基准，其峰值载荷和峰值强度分别为429.98 N和0.31 MPa。R1.5 mm试样峰值载荷为469.12 N、峰值强度0.34 MPa，均高于R3和R0，证实适当的小圆角可通过缓解节点应力集中提升峰值承载能力。R3 mm试样峰值载荷447.81 N、峰值强度0.32 MPa，略高于R0但低于R1.5。R5 mm试样达到最高峰值载荷493.42 N和峰值强度0.35 MPa，相对R0分别提升14.75%，在节点应力优化与有效承载截面保留之间实现了最佳平衡。当圆角半径从R5进一步增大至R7 mm时，节点有效承载截面持续缩减，整体结构刚度和峰值承载能力呈梯度下降，R7 mm峰值强度仅为0.30 MPa，甚至低于无圆角R0试样。

3.3 能量吸收性能分析

总能量吸收排名为R0 > R5 > R7 > R6.5 > R3 > R1.5。无圆角R0试样因未遭受节点切割造成的截面损失，表现出最高的总能量吸收和能量吸收效率，但该高效率是在相对较低的峰值应力下获得的，且直角节点引发的间歇性脆性坍塌破坏了压溃连续性，在裂纹扩展中耗散大量塑性功，实际缓冲可靠性不足。R5 mm中等圆角试样的总能量吸收和比能量吸收仅略低于R0，凭借有序渐进压溃模式抑制了无效能量耗散，实现了良好的吸能效率平衡和最佳综合吸能性能。R3 mm试样虽消除了尖角应力奇异性，但显著的节点截面削弱提高了局部工作应力并诱发压缩早期脆性断裂，大幅缩短有效吸能区间，导致总能量吸收、比能量吸收和能量吸收效率均较低。R1.5 mm试样压溃过程平滑但平均平台应力较低，单位变形储能有限，能量吸收效率为所有组中最低。R6.5和R7 mm大圆角试样压溃过程平缓、吸能效率中等，但节点截面过度削弱降低了整体刚度，不适用于高能量吸收场景。

3.4 压溃稳定性与综合性能评价

R1.5 mm试样载荷波动系数最低（28.42%），压溃载荷波动最小。R5 mm试样载荷波动系数最高（49.69%），但其波动源于逐层有序塑性屈曲而非突发载荷跌落。R3 mm试样载荷波动系数为44.15%，但其波动伴随脆性瞬时断裂，从失效模式角度而言压溃稳定性最差。载荷波动系数本身无法区分有序渐进屈曲引起的渐进振荡与脆性断裂引起的突变跌落这两种本质不同的失效模式。在峰值强度与比能量吸收的双目标帕累托分析中，R0（最高比能量吸收）和R5（最高峰值强度）均位于帕累托前沿，代表两种不同的性能权衡方向。R5 mm试样在峰值强度（权重0.4）、比能量吸收（权重0.4）和压溃稳定性（权重0.2）的加权归一化下获得最高综合评分（0.764），确认中等圆角半径在六种测试构型中提供最佳多目标权衡。

五、讨论总结

研究人员揭示了圆角半径对结构失效行为的双重调控机制：应力集中缓解与节点截面削弱。直角节点的几何不连续性产生应力集中奇异性，导致局部应力梯度急剧增大、裂纹快速萌生扩展和不规则脆性断裂。R1.5 mm圆角足以消除尖角应力集中奇异性且截面削弱程度极轻微，节点整体应力状态得到有效改善。R3 mm圆角虽也消除了尖角应力奇异性，但节点承载截面削弱更为显著，截面减小导致节点处工作应力水平升高，与残余应力梯度叠加后呈现类似应力集中的脆性断裂行为。R5 mm中等圆角重构了节点应力场，消除应力集中并延缓裂纹扩展，失效模式转变为有序逐层塑性压溃，同时截面削弱程度适中，最大程度保留了结构承载刚度。R6.5和R7 mm大圆角虽实现节点应力均匀化和平缓压溃过程，但过度圆弧过渡大幅削减节点截面积，导致整体刚度和峰值强度同步下降。在能量吸收差异的核心机制方面，有效塑性变形范围和平台载荷稳定性共同决定吸能性能。R3 mm小圆角试样易诱发早期局部脆性断裂，大幅缩短有效吸能区间；R1.5 mm试样压溃波动小但平均平台应力偏低；R0试样总吸能最高但间歇性脆性坍塌破坏变形连续性；R5 mm试样凭借有序渐进压溃模式抑制无效能量耗散，综合吸能性能最佳。

六、研究结论翻译

（1）节点圆角通过应力均匀化与承载截面削弱双重竞争机制调控PETG蜂窝结构的压缩性能，力学指标随圆角尺寸呈非线性变化。

（2）在当前实验条件下，R3 mm小圆角构型同时表现出应力升高与截面削弱的叠加效应，易在压缩早期诱发脆性破坏，综合性能为六种构型中最差。R1.5、R6.5和R7 mm构型可改善压溃平滑性，但过度圆弧过渡削弱了承载和吸能上限，仅适用于特定低载荷工况。

（3）无圆角R0试样总能量吸收最高，但直角节点应力集中诱发无序脆性坍塌，其动态冲击条件下的可靠性有待进一步验证。在六种离散圆角构型中，当节点圆角半径与胞元间距之比为35.7%（R5 mm）时，在采用的PETG材料、固定FDM工艺和准静态压缩条件下实现了应力均匀化与截面承载能力之间的最优平衡，峰值强度为0.35 MPa，比能量吸收为335.25 J/kg，压溃过程以有序渐进屈曲为主导而无脆性断裂相关的灾难性载荷跌落，综合性能为六种离散构型中最优，适用于绝大多数轻质缓冲场景。当圆角比增大至50%（R7 mm）时，截面削弱效应超过应力优化收益，峰值强度降至0.30 MPa，甚至低于无圆角基准试样。当圆角比低于21.4%（R3 mm）时，虽消除了尖角应力奇异性，但显著的节点截面削弱提高了局部工作应力并触发过早脆性断裂，导致综合性能全面退化。需注意该最优点基于六个离散梯度值获得，连续参数范围内的精确最优值需更密集参数梯度的进一步实验验证。

（4）节点圆弧倒角是一种低成本拓扑修形方法，合理匹配圆角参数可同时平衡结构承载能力、变形稳定性和能量吸收，为类似热塑性3D打印吸能蜂窝结构提供了实验支撑。

（5）本研究获得的所有性能规律和结构优化结论均适用于准静态压缩条件。研究仅在室温准静态加载、固定试样尺寸和统一FDM工艺条件下开展，未考察打印层厚、胞元孔径和动态冲击加载的耦合效应，倒角蜂窝结构的动态抗冲击性能有待进一步验证。未来工作应包括多变量耦合实验和动态冲击试验，以完善倒角蜂窝结构的工程设计框架。