摘要
先进结构陶瓷材料具有挑战极端服役条件的本征优势，如耐磨损、耐高温、耐腐蚀等优异性能，成为可以替代金属的关键材料，被广泛应用在航空航天、先进核能等方面。3D打印技术则可以实现陶瓷材料轻量化的结构设计，使人们对于陶瓷材料的研究更多的满足实际应用的需要。本文主要对陶瓷材料进行了夹层结构的轻量化设计，使用3D打印技术成功制备了多种结构设计的四边形蜂窝夹层结构、六边形蜂窝夹层结构和拉胀结构中的凹角六边形蜂窝夹层结构。 通过三点弯曲试验和单轴压缩试验对凹角六边形蜂窝夹层结构的力学性能进行了研究分析。三点弯曲试验结果表明：凹角六边形结构具有明显的各向异性，在不同阵列方向上的力学性能有较大的不同，其中L2结构具有较好的力学性能。在样品设计为L2/1.5，相对密度为48.6%时，弯曲强度可以达到206.16MPa。 通过三点弯曲试验研究了陶瓷材料六边形和四边形蜂窝夹层结构的四种结构参数对力学性能的影响。结果表明蜂窝芯的参数比夹层面板的参数更为重要，氧化锆陶瓷的四边形蜂窝夹层结构的力学性能要优于六边形蜂窝夹层结构。在选择低的相对密度，高的强度和高的弯曲模量的同时，可以适当减小蜂窝芯单胞的尺寸并适当增加蜂窝芯的高度，在相对密度为40.22％时，陶瓷材料四边形蜂窝夹层结构的弯曲强度可达170MPa。另外，陶瓷样品对在打印制备工艺及后处理过程中形成的缺陷非常敏感，并且这种缺陷的存在是概率性的，它们会成为强度确定因素，因此对未来的工艺优化仍然存在明确的需求。 单轴压缩试验结果表明结构参数影响着凹角六边形蜂窝夹层结构的力学性能，结构的泊松比可以通过人工设计来改变，当泊松比为-2时，强度和弹性模量达到一个低峰值。在样品设计为-60/1.5，相对密度为52.4%时，压缩强度可以达到265.87MPa。凹角六边形蜂窝夹层结构的吸收能可以达到27.26kJ，比吸能为4.47kJ/g。陶瓷材料的凹角六边形夹层结构可以作为防撞结构的设计来吸收尽可能多的能量，具有非常好的应用前景。
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