基于增材制造的陶瓷材料点阵结构研究现状与挑战

陶瓷材料点阵结构在力学、电磁、声学、热学等领域应用前景广阔。近年来发展起来对增材制造技术为复杂陶瓷材料点阵结构的获得提供了崭新的技术途径。本综述系统介绍对比了陶瓷材料点阵结构的常见增材制造工艺方法,包括立体光刻、数字光处理、双光子光刻、挤出成型、墨水直写、激光选区烧结等。此外,众多研究发现通过设计陶瓷材料点阵功能基元的结构和序构方式可以有效调控陶瓷材料点阵的物理特性,本综述首先归纳了基于力学设计等陶瓷材料点阵结构研究现状,接下来从超常规力学、电磁学、声学、传热、零膨胀、光学等多功能设计角度归纳了新型陶瓷材料点阵结构研究现状。最后,从点阵结构制造缺陷控制、超常力学行为设计、防生化结构设计、智能化结构设计以及结构功能一体化角度,分析了陶瓷材料点阵结构增材制造可能面临的机遇与挑战。     

氧化锆生物陶瓷的立体光固化制备及其力学与生物性能

制备了用于立体光固化技术(SL)的ZrO_2浆料,采用SL打印制备了ZrO_2生物陶瓷,研究了烧结样品的力学性能与生物相容性。经过不同温度烧结后,ZrO_2原粉中的m-ZrO_2均完成了向t-ZrO_2或c-ZrO_2的转变。随着烧结温度的提高,陶瓷致密化程度提高,气孔数量减少;当烧结温度继续提高时,晶粒尺寸继续增大且大小不均匀。当烧结温度从1 450℃升高至1 600℃时,ZrO_2生物陶瓷的维氏硬度和断裂韧性先增大后减小,且均在1 500℃达到最大值,分别为14.87 GPa和6.73 MPa·m~(1/2),此时的线收缩率与相对密度分别为23.42%和97.32%。同时利用大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)进行体外细胞实验,证明了SL成形的ZrO_2生物陶瓷具有较好的生物相容性,在牙科修复中具有广阔的应用前景。     

复合材料部件设计制造一体化研究

20世纪80年代后期以来,随着CAD/CAM技术、计算机信息技术、网络技术的蓬勃发展,以美国为首的西方发达国家开始研究并首先应用了一项新技术即复合材料设计制造一体化技术。设计制造一体化技术可以提高产品的研制生产效率,保障产品质量,降低产品成本。选取某复合材料部件数字化设计制造的关键环节提出研究内容,应用复合材料制造和分析软件FiberSIM对演示验证件进行数字化制造,克服相关技术难点,打通了复合材料由设计到制造的生产流程。最终通过演示验证件的数字化设计流程分析复合材料数字化制造与传统的复合材料生产过程的差异,客观评价两种制造方案的优缺点。     

基于蜻蜓翅脉结构的连续碳纤维增强树脂基复合材料仿生设计与增材制造

以具有轻质高强优异性能的蜻蜓翅脉结构为设计灵感,在分析翅脉网格结构抗冲击原理的基础上,设计了传统和仿生两类对比结构。采用熔融挤出3D打印机成功制备了具有不同结构的连续碳纤维增强聚乳酸复合材料试样,并对不同结构复合材料试样的拉伸性能和抗冲击性能进行了测试和对比分析。研究分析结果表明：由于拉伸力方向上的连续碳纤维含量相对较少,限制了仿生结构复合材料抗拉强度的提高,但仿生结构的平均抗拉强度为传统结构的1.18倍;当仿生结构复合材料试样受到冲击力时,其内部六边形结构的连接角度会发生变化,从而极大消耗冲击能量,同时具有六边形网格结构的连续碳纤维可以有效阻碍裂纹的扩展,因此仿生结构的平均冲击韧性可以达到传统结构的2.46倍;仿生蜻蜓翅脉结构可以显著提高增材制造复合材料的综合力学性能,且对于抗冲击性能的提高具体突出效果。连续碳纤维增强树脂基复合材料的有效可行的仿生蜻蜓翅脉结构设计和增材制造,可极大扩展其在高冲击载荷领域中的相应应用。     

增材制造研究用巧克力型推进剂设计与制备

以黏合剂RS为连续相,铝粉和高氯酸铵为固体填料,实现填料质量分数为80%的巧克力型推进剂配方设计与制备。利用差热扫描、高温恒温存储、安全测试手段评价RS及其混合物的热稳定性和相容性,利用流变仪研究混合药浆黏度变化,利用爆热与药棒燃速测试评估巧克力推进剂应用潜力。结果表明:巧克力型推进剂可在90℃以下实现熔融成型,具备可调节的黏度、优良的安全性能和可观的能量潜力,可用于固体推进剂增材制造工艺研究。     

基于IEC61508的嵌入式软件可靠性设计与验证

作为流程工业领域中典型的现场设备,智能变送器的嵌入式软件可靠性备受关注。利用IEC61508功能安全标准中软件开发V模型的思想,对智能压力变送器进行了软件设计与验证,包括系统安全需求分析、软件结构设计、模块设计与测试,最后采用失效模式影响及诊断分析(FMEDA)和故障注入试验2种方法对系统进行了安全评估。评估结果表明:在生产工艺给安全性带来很大不确定性的条件下,所研究的智能变送器的安全失效分数为88.3%,基本达到了当前先进智能变送器的安全失效分数水平。     

陶瓷材料与结构增材制造技术研究现状

增材制造技术在聚合物材料与结构、金属材料与结构制备中已经得到了大量应用。近年来,陶瓷材料与结构的增材制造技术得到了初步发展,受到了越来越多陶瓷工作者的关注。本文综述了目前几种常见的陶瓷材料与结构增材制造技术,并预测了未来陶瓷材料与结构增材制造技术发展的主要关注点,以期为陶瓷工作者提供关于增材制造技术一定的参考与思考。     

双向可逆形状记忆乙烯⁃醋酸乙烯酯共聚物的制备和性能研究

以乙烯⁃醋酸乙烯酯共聚物（EVA）为原料,过氧化2⁃乙基己基叔丁酯（TBPE）为交联剂,合成了交联EVA双向形状记忆聚合物（SMP）,并且考察了TBPE含量对于交联EVA性能的影响。结果表明,交联EVA的T_m和T_c随着TBPE含量的上升呈现下降的趋势,可以通过交联剂比例调节材料的驱动温度;交联EVA的形状固定率会随着TBPE含量的增加呈现下降趋势,最低达到88.83 %,而样品的形状恢复率均超过99 %,并且都具有单向和双向形状记忆功能;交联EVA也具有双向记忆性能,R_a,_2W随着TBEC的含量增大而减小,R_r,_2W则相反;因此,通过改变交联剂EVA的量,对于双向交联EVA的性能有较大影响。     

结构玻璃及其鲁棒性的设计与研究

随着近几年玻璃越来越多地作为结构材料用于新型建筑,因而结构玻璃概念的提出和设计及其鲁棒性要求受到世界各国的广泛重视。本文浅析了结构玻璃及其鲁棒性的研究现状及设计思路及遵循的基本原则,并对其今后需研究的问题做了简单的探讨。     

从设计和制造质量谈双圆弧减速器的可靠性

本文从设计方面,根据抽油机减速器的受力特点,对其齿轮参数的选择和安全系数的选取做了详细的分析;在制造方面,对热处理以及装配质量提出了需要注意的关键事项,旨在提高减速器的可靠性,减少故障发生率。     

基于3D打印的PLA材料力学性能研究

熔融沉积增材制造(FDM)的产品力学性能呈现明显的各向异性,传统基于各向同性假设的本构已不再适用于FDM的材料。首先通过拉伸试验获得3D打印的轴拉试件三轴应力应变关系,然后提出基于横观各向同性本构获得3D打印的聚乳酸(PLA)材料弹性常数。相比于各向同性本构而言,横观各向同性本构模型和物性参数更适合于3D打印的PLA材料力学性能表征。     

新型EVOH/PE⁃RT合金包覆PE⁃RT双层阻氧管的制备及性能研究

针对市场上常见的阻氧管存在难以热熔回收再用的问题,制备了新型乙烯?乙烯醇共聚物（EVOH）/耐热聚乙烯（PE?RT）合金包覆PE?RT双层阻氧管,其内层工作管为PE?RT材质,外层为EVOH/PE?RT合金阻隔材料;研究了EVOH和相容剂含量对EVOH/PE?RT合金阻隔膜阻氧性能的影响,并对新型双层阻氧管的氧气透过量和热熔回收情况以及新型双层阻氧管回收料的力学性能进行了测试。结果表明,EVOH/PE?RT合金阻隔膜的氧气透过量随EVOH含量的增加而降低,随相容剂含量的增加而上升;含30 %（质量分数,下同）EVOH、64 % PE?RT和6 %相容剂的新型双层阻氧管的氧气透过量接近市售3层、5层阻氧管,并且能够实现热熔回收,回收料具有较好的力学性能。     

基于逆向工程与增材制造的塑料零件修复技术

以某车灯塑料件为载体,基于逆向工程与增材制造技术,解决复杂曲面塑料零件的修复问题,以提高零件的修复效果,为此类零件提供快速、高效、高质量的修复方法。通过三维扫描设备获取破损零部件的点云数据,采用Geomagic DesignX软件处理点云数据,获得破损零部件数字模型,对比分析破损部位的可修复性,分离零件破损部位数模。利用增材制造技术打印破损部位零件,对打印的零件进行虚拟装配检验精度并修复。在不破坏实物模型的前提下,实现了零件快速、高精度检测和分析,完成了对复杂曲面塑料零件的高精度再修复,验证了基于逆向工程和增材制造的产品修复技术的可行性,为复杂零件的修复提供参考。     

功能高分子的增粘与乳化性能研究

用胶束聚合法将丙烯酰胺、丙烯酸与自制两亲功能单体进行共聚,合成了三元共聚物,考察了其流变学性质及乳化性能,并通过荧光光谱、扫描电子显微镜对两种功能高分子体系的聚集体结构和溶液中的分子聚集行为进行了研究,并对相应机理进行了分析探讨。研究结果发现,45℃下1500 mg/L的自制功能高分子在矿化度为4 756 mg/L的模拟水溶液中,粘度仍可以达到200 mPa.s。另外,自制功能高分子对模拟水与原油的混合体系具有很强的乳化能力。     

基于有限元的罐体可靠性分析和设计

通过ANSYS的PDS可靠度概率分析模块,采用概率分析的响应面方法,分别对常规设计和可靠性设计的球罐罐体进行可靠度分析研究。分析结果表明,可靠性设计可在确保结构达到规定的可靠性指标下,同时保证设计的经济性,ANSYS的灵敏度分析功能为可靠性设计提供参考依据。     

辐照交联中密度聚乙烯中空纤维管的结构与性能

研究了加工条件对辐照交联中密度聚乙烯中空纤维管凝聚态结构和力学性能的影响,特别是辐照剂量与中空纤维管抗拉性能和耐扩张性能的关系,并研究了中空纤维管的交联度、结构、晶形和热性能。结果表明:辐照交联聚乙烯中空纤维管的结构和性能可以通过辐照工艺来调控,辐照剂量升高,中空纤维管的凝胶含量提高,抗拉强度增加。     

FWRP压力容器的可靠性设计研究

纤维缠绕聚合物基复合材料(FWRP)压力容器在航空航天及民用领域的应用是当前研究热点。减轻结构重量对于性能和成本都具有非常重要意义。为实现FWRP压力容器结构设计和安全评定的高目标,引入可靠性理论,应用统计学原理,基于应力-强度干涉模型,以同一失效概率为标准进行FWRP压力容器结构设计,以取代现应用的传统安全系数法设计。采用无碱无捻玻璃纤维-环氧树脂材料体系,应用同一缠绕工艺制备8个压力容器。试验得到纤维强度、缠绕角、几何尺寸、爆破压力等随机变量特征值。其结构可靠性设计值(纤维缠绕壁厚)与试验结果基本吻合,并显著小于常规设计值。将各设计变量随机分布特征值与压力容器结构设计相结合,实现安全与经济的有效统一,为可靠性设计在FWRP压力容器上的应用与发展提供了依据。     

基于拓扑优化的四旋翼无人机机身轻量化设计

针对四旋翼无人机机身轻量化需求,以小型四旋翼无人机机身结构为研究对象,基于质量最小原则对四旋翼无人机机身结构进行轻量化设计。选用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)材料,利用Inspire软件分别对不同优化目标下的机身模型的形状控制进行了拓扑优化计算,依照质量最小原则,得到了基于形状控制为辐射状的小型四旋翼机身的关键结构特征。然后对拓扑优化的最优结果进行了几何重构及强度校核,得到适合于3D打印的结构,相对于初始结构实现了54%减重,且多工况下机身模型的应力、位移、安全系数都符合设计要求,接着通过切片软件设置层厚、模型摆放位置等参数对机身的三维数据进行前处理,最后通过3D打印机实现轻量化模型熔融沉积成型(FDM)快速制造。该研究结果为四旋翼无人机机身结构的设计提供一种新的设计思路,为实现低成本、轻量化的四旋翼无人机结构提供一条新的途径。