通過對界麵的合理幾何設計，縫合結構可具有遠超組分材料的斷裂性能。現有研究表明，具有互鎖界麵的縫合結構展現出優異的斷裂韌性。AlSi10Mg具有良好的導熱性、耐腐蝕性等優點，廣泛應用於航空航天領域。來自北京理工大學的廖海濤團隊開展AlSi10Mg緊湊拉伸試樣的斷裂實驗和數值模擬，研究互鎖界麵的幾何參數對互鎖結構斷裂性能的影響。
本文利用激光熔融方法製備了三種不同互鎖幾何參數的緊湊拉伸試樣（圖1），並對互鎖界麵進行拋光處理和幾何拚接，以減小表麵粗糙度對斷裂性能的影響。互鎖幾何參數間遵循圖2的設計關係。 圖3表明，隨著互鎖角度的減小，數值模擬數據與實驗數據的差異性越大。這可能是由於互鎖齒根部的局部失效影響逐漸顯著（圖4）。DIC結果顯示，隨著互鎖角度減小，結構在互鎖齒根部產生較大應變，並向內部擴展（圖5）。在此過程中，互鎖齒產生損傷，消耗了更多的能量，提高了結構的斷裂強度。 本文采用裂尖張開位移來表征互鎖結構的斷裂性能。控製互鎖角度和齒高不變，互鎖齒的寬度越小，承載能力越低，結構越易發生斷裂（圖6），而互鎖齒寬度越大，齒數明顯減少，界麵處的相互作用減弱，結構的斷裂性能降低。控製互鎖角度和齒寬不變，互鎖齒的高度越大，結構的互鎖程度越大，界麵處的相互作用增強，但互鎖齒根部承載能力無法匹配結構的承載能力，從而無法顯著提升結構的斷裂性能（圖7）。 本文研究了互鎖結構的互鎖角度、齒高、齒寬對結構斷裂性能的影響，結果表明，隨著互鎖角度的減小，互鎖結構的失效形式從互鎖齒的斷裂轉變為界麵處的摩擦，齒高和齒寬在一定範圍時能顯著提高結構的斷裂性能。後續可將本文所研究的反梯形互鎖結構擴展至梯形、三角形等互鎖結構。
圖3 CT試樣力-位移曲線的實驗與(yu) 數值模擬結果對比
圖4 CT試樣斷裂情況的實驗與(yu) 數值模擬結果對比
文章以“Bio-inspired, metal additive manufacturing interlocked structures: Geometrically design and fracture performance analysis"為(wei) 題，發表於(yu) Composite Structures。
