ساختار کامپوزیت سیمانی-پلیمری سه بعدی اکستیک با رفتار فشاری-سختی شدن

نکات برجسته

•
یک ساختار کامپوزیت اکستیک سه بعدی جدید که شامل پوسته پلیمری و هسته ملات سیمانی (3D-ACPC) است ایجاد می‌شود.
•
3D-ACPC به طور همزمان بر شکنندگی مواد سیمانی و استحکام کم پوسته پلیمری چاپ شده سه بعدی غلبه می کند.
•
3D-ACPC نسبت به مواد سیمانی معمولی و مواد سلولی پلیمری چاپ سه بعدی، جذب انرژی افزایش یافته را نشان می دهد.
•
منشا منجر به رفتار فشاری ناهمسانگرد 3D-ACPC القا شده روشن شده است.

خلاصه

یک کامپوزیت می تواند خواص بسیار بهتری نسبت به اجزایی که از آنها ساخته شده است داشته باشد. این کار یک ساختار کامپوزیت سیمانی-پلیمری اکستیک سه بعدی (3D-ACPC) را پیشنهاد می کند که پوسته پلیمری چاپ شده سه بعدی با ملات سیمانی را در خود جای داده است. آزمایش‌های فشرده‌سازی تک محوری بر روی 3D-ACPC برای مطالعه پاسخ تنش-کرنش شبه استاتیک آنها انجام می‌شود. نتایج تجربی نشان می دهد که ساختار کامپوزیتی ایجاد شده می تواند به طور همزمان بر شکنندگی مواد سیمانی معمولی و مقاومت فشاری پایین پوسته سلولی پلیمری چاپ سه بعدی غلبه کند. بنابراین، 3D-ACPC رفتار سفت شدن فشاری را نشان می دهد که توانایی جذب انرژی بالایی را تضمین می کند. علاوه بر این، مشخص شد که ناهمسانگردی ساختاری و جهت چاپ پوسته تأثیر قابل‌توجهی بر پاسخ تنش-کرنش 3D-ACPC دارند. علاوه بر این، به دلیل ساختار سلولی سبک وزن، 3D-ACPC در مقایسه با مواد سیمانی معمولی و مواد سلولی پلیمری، جذب انرژی ویژه به طور قابل توجهی افزایش یافته است. برای این منظور، 3D-ACPC توسعه یافته پتانسیل زیادی برای استفاده در عمل مهندسی، مانند سازه های محافظ دارد.

کلید واژه ها

کامپوزیت های سیمانی اکستیک

پرینت سه بعدی

ویژگی های مکانیکی

ناهمسانگردی

1 . معرفی

رفتار اکستیک نشان دهنده یک ویژگی مکانیکی منحصر به فرد است: نسبت پواسون منفی [1] . این بدان معناست که وقتی سازه های اکستیک تحت بار فشاری عمودی قرار می گیرند ، برخلاف مواد معمولی تمایل دارند در جهت عرضی یا بالعکس منقبض شوند. این به سازه‌های اکستیک اجازه می‌دهد تا تغییر شکل‌های بزرگ را تحمل کنند ، بنابراین، می‌توانند به توانایی جذب انرژی بالایی دست یابند [2] ، [3] . از این نظر، سازه‌های اکستیک از علاقه مهندسی زیادی برخوردار هستند، به عنوان مثال به عنوان روکش‌های فداکاری [4] ، [5] ، [6] که نیاز به جذب انرژی بالایی دارند.

سازه‌های اکستیک در سال‌های اخیر توجه تحقیقاتی فزاینده‌ای را به خود جلب کرده‌اند . به طور معمول، رفتار اکستیک با معرفی ساختارهای سلولی معمارانه، به عنوان مثال ساختارهای ورودی مجدد [13] ، [14] ، [15] ، ساختارهای کایرال [7] ، [16] ، [17] و ساختارهای پیکان دوتایی [8] به دست می آید. ] ، [10] ، [18] ، [19] ، [20]. یکی از ویژگی های مشترک این ساختارها، سیستم سلولی بسیار متخلخل آنهاست. در نتیجه، ساختارهای آکستیک ساخته شده از یک پلیمر، معمولاً به دلیل ساختار سلولی متخلخل و سختی کم پلیمرها، مقاومت فشاری کمی از خود نشان می دهند. در نتیجه، ظرفیت جذب انرژی آنها در مقایسه با ساختارهای اکستیک ساخته شده از مواد دیگر نسبتاً کم است.

به جای استفاده از یک ماده پلیمری واحد برای تولید ساختارهای آکستیک، مشخص شده است که ایجاد کامپوزیت های پرکننده-چارچوب چند ماده ای [20] ، [21] ، [22] ، [23] ، [24] ، [25] کمک می کند. افزایش ظرفیت جذب انرژی مواد سیمانی می توانند انتخابی برجسته به عنوان ماده پرکننده باشند . به عنوان یکی از پرکاربردترین مواد مهندسی، مواد سیمانی می توانند با هزینه بسیار کم به خواص مکانیکی عالی دست یابند. مهمتر از آن، سختی بالای آنها باعث می شود که پتانسیل بالایی برای جذب انرژی در هنگام قرار گرفتن در معرض بار خارجی داشته باشند. با این حال، به دلیل عدم شکل پذیری، تغییر شکل پذیریمواد سیمانی معمولی بسیار کم است که توانایی جذب انرژی را در تغییر شکل زیاد محدود می کند. با این وجود، مطالعات قبلی [26] و [ 27] نشان داده‌اند که با استفاده از مواد سیمانی تقویت‌شده با الیاف پلیمری، کامپوزیت‌های سیمانی-پلیمری اکستیک توسعه‌یافته می‌توانند به رفتار کرنش-سختی فشاری دست یابند. این اجازه می دهد تا کامپوزیت هایی با ظرفیت جذب انرژی بهبود یافته قابل توجهی ایجاد کنید. با اتخاذ رویکرد مشابه، مواد سیمانی می‌توانند گزینه‌های امیدوارکننده‌ای برای ادغام با ساختارهای اکستیک پلیمری و ایجاد کامپوزیت‌هایی با ظرفیت جذب انرژی عالی باشند.

در اینجا، یک رویکرد جدید برای ایجاد کامپوزیت اکستیک سلولی پیشنهاد شده است: استفاده از ملات سیمانی برای افزایش مقاومت فشاری ، در حالی که استفاده از یک پوسته پلیمری برای ساخت ساختار سلولی اکستیک و ایجاد شکل‌پذیری. ابتدا یک کامپوزیت سیمانی-پلیمری اکستیک با ساختار سلولی سه بعدی (3D-ACPC) ساخته شد. سپس، رفتار مکانیکی 3D-ACPC به صورت تجربی تحت بار فشاری شبه استاتیک مورد بررسی قرار می‌گیرد. به طور خاص، پاسخ تنش-کرنش و ویژگی‌های جذب انرژی 3D-ACPC مورد مطالعه قرار می‌گیرد. علاوه بر این، تأثیر ناهمسانگردی ساختاری و جهت چاپ پوسته بر روی خواص مکانیکی کامپوزیت توضیح داده شده است.

2 . مواد و روش ها

2.1 . طراحی ساختار سلولی

قبل از آماده سازی نمونه ها، ساختار سلولی با روش های زیر طراحی شد:

که در $R^{3}$ ، مجموعه ای از نکات: $v_{o}^{x o y} = (x, y, z)$ ارضای معادله (1) برای توصیف یک استوانه بیضوی، همانطور که در شکل 1 a نشان داده شده است، استفاده شد . در این کار از a =8mm، b =20mm و h =40mm استفاده شده است.(1) ${(x / a)}^{2} + {(y / b)}^{2} \leq 1, |z| \leq h$ جایی که،

x، y، z مختصات فضایی نقاط مجموعه هستند.
a و b به ترتیب محور فرعی و اصلی استوانه بیضوی هستند.
h ارتفاع استوانه بیضوی است.

سپس، استوانه بیضوی در صفحه xoy تبدیل شد تا آرایه ای از استوانه های بیضوی، توسط ماتریس تبدیل : $M_{i}^{x o y}$ نوشته شده در معادله (2) به معادله (4)، همانطور که در شکل 1 ب نشان داده شده است.(2) $M_{i}^{x o y} = (\begin{matrix} E_{3} & {t_{i}}^{x o y} \\ 0 & 1 \end{matrix})$ (3) $t_{i}^{x o y} = (\begin{matrix} s i n \frac{i π}{2} + c o s \frac{i π}{2} \\ s i n \frac{i π}{2} - c o s \frac{i π}{2} \\ 0 \end{matrix}) * \frac{h}{2}, i \in \{0, 1, 2, 3, 4\}$ (4) ${v_{i}}^{x o y} = M_{i}^{x o y} \times v_{o}^{x o y}$ جایی که،

$E_{3}$ 3 است $\times$ ماتریس 3 واحدی؛
i یک عدد صحیح است که تعداد استوانه های تبدیل شده را تعیین می کند.
${t_{i}}^{x o y}$ عدد i امین بردار تبدیل انتقالی در صفحه xoy است.
$M_{i}^{x o y}$ ماتریس تبدیل عدد i در صفحه xoy است.
${v_{i}}^{x o y}$ استوانه های بیضوی شماره i در صفحه xoy است.

پس از آن، استوانه اصلی بیضوی $v_{o}^{x o y}$ توسط ماتریس چرخش در امتداد محور z چرخانده شد $R^{x o y}$ برای ایجاد یک مجموعه نقطه چرخشی $v_{R}^{x o y}$ ، سپس توسط ماتریس تبدیل نوشته شده توسط معادله ترجمه شده است. (7) به معادله (9)، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است .(5) $R^{x o y} = (\begin{matrix} 0 & - 1 & 0 \\ 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix})$ (6) $v_{R}^{x o y} = R^{x o y} \times v_{o}^{x o y}$ (7) $N_{j}^{x o y} = (\begin{matrix} E_{3} & {t_{j}}^{x o y} \\ 0 & 1 \end{matrix})$ (8) $t_{j}^{x o y} = (\begin{matrix} \sin \frac{i π}{2} \\ - c o s \frac{i π}{2} \\ 0 \end{matrix}) * \frac{h}{2}, j \in \{1, 2, 3, 4\}$ (9) ${v_{j}}^{x o y} = N_{j}^{x o y} \times v_{R}^{x o y}$ جایی که،

$R^{x o y}$ ماتریس چرخش است.
$v_{R}^{x o y}$ مجموعه نقطه چرخان است.
j یک عدد صحیح است که تعداد سیلندرهای چرخانده را تعیین می کند.
${t_{j}}^{x o y}$ بردار تبدیل چرخشی عدد j در صفحه xoy است.
$N_{j}^{x o y}$ عدد j امین ماتریس تبدیل چرخشی در صفحه xoy است.
${v_{j}}^{x o y}$ عدد j th نقطه جدید چرخانده شده در صفحه xoy است.

مجموعه نقاط تمام استوانه های بیضوی روی صفحه xoy ( $v^{x o y}$ ) است، بنابراین، اتحاد از ${v_{i}}^{x o y}$ و ${v_{j}}^{x o y}$ ، و به شرح زیر است:(10) $v^{x o y} = {v_{i}}^{x o y} \cup {v_{j}}^{x o y}$

پس از آن، مجموعه بیضوی با یک مکعب جامد C (نشان داده شده در شکل 1 d) که طول لبه آن h است ، کم شد تا هندسه اکستیک مسطح مشابه [26] ، [27] ایجاد شود ، و با نقاط توصیف شد. تنظیم $A^{x o y}$ همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است .

همین فرآیندها در هواپیمای یوز و زوز نیز انجام شد به طوری که $A^{y o z}$ و $A^{x o z}$ نیز به دست آمدند. در نهایت، ساختار سه بعدی auxetic $A_{3}$ را می توان به عنوان تقاطع این هندسه های مسطح نوشت، یعنی:(11) $A_{3} = A^{x o y} \cap A^{y o z} \cap A^{x o z}$ جایی که،

$A_{3}$ مجموعه نقطه ای از ساختار سه بعدی auxetic است.
$A^{x o y}$ ، $A^{y o z}$ و $A^{x o z}$ مجموعه نقطه ای ساختار اکستیک دوبعدی در صفحه xoy، yoz و xoz هستند.

و، شماتیک ایجاد ساختار auxetic سه بعدی در شکل 2 الف نشان داده شده است. همانطور که در ( شکل 2 ب) نشان داده شده است، برای راحتی، مناطق “مفصل” (به رنگ سبز) و “بخش” (به رنگ قرمز) تعریف شدند .

2.2 . آماده سازی نمونه

در مطالعات قبلی [26] ، [27] ، [28] مشخص شده است که علاوه بر ساختارهای سلولی طراحی شده خاص، شکل پذیری برای مواد سیمانی برای دستیابی به اکستیکیتی و رفتار کرنش-سختی فشاری الزاماً مورد نیاز است. بنابراین، یک ماده پلیمری به عنوان پوسته خارجی 3D-ACPC برای معرفی ساختار اکستیک و شکل‌پذیری مورد استفاده قرار گرفت، در حالی که ملات سیمانی به عنوان پرکننده در داخل پوسته پلیمری ریخته‌گری شد (نشان داده شده در شکل 3 ).

یک چاپگر سه بعدی تجاری Ultimaker 2+ برای چاپ پوسته (ضخامت 0.7 میلی متر) ساختار سلولی سه بعدی طراحی شده استفاده شد. ABS (اکریلونیتریل بوتادین استایرن) در کار قبلی ما [29] ، [30] به عنوان یک ماده تقویت کننده کارآمد برای مخلوط های سیمانی شناخته شده است . بنابراین در این کار از ABS به عنوان ماده چاپ پوسته نیز استفاده شد. پارامترهای چاپ در جدول 1 نشان داده شده است . شماتیک چاپ پوسته ABS در شکل 4 الف و پوسته ABS چاپ شده در شکل 4 ب نشان داده شده است. به گفته سازنده Ultimaker [31] ، استحکام کششی و ازدیاد طول در هنگام شکستABS حجیم 43.6 مگاپاسکال و 34 درصد است، در حالی که برای ABS چاپی به ترتیب 39.0 مگاپاسکال و 4.8 درصد است.

جدول 1 . پارامترهای چاپ مورد استفاده برای چاپ پوسته ABS auxetic.

مولفه های	پیکربندی
قطر نازل (میلی متر)	0.6
دما (درجه سانتیگراد)	260
ارتفاع لایه (میلی متر)	0.15
عرض خط (میلی متر)	0.35
تراکم پر کردن (%)	100
الگوی پر کردن	خطوط
سرعت چاپ (mm/s)	45

لازم به ذکر است که ساختار اکستیک طراحی شده ممکن است رفتار ناهمسانگرد قابل توجهی تحت فشار داشته باشد. این، از یک طرف، یک ویژگی ذاتی ساختار سه بعدی آکستیک ایجاد شده است. از سوی دیگر، جهت چاپ پوسته پلیمری ممکن است تأثیرات بیشتری را ایجاد کند. بنابراین، پوسته ABS برای بررسی رفتار مکانیکی ناهمسانگرد چاپ و در جهات مختلف بارگذاری شد. توضیح دقیق تمام نمونه های چاپ شده و آزمایش شده در بخش 2.4 آورده شده است.

2.3 . مخلوط کردن، ریخته گری و پخت

از آنجایی که از هندسه سه بعدی پیچیده برای پوسته استفاده شد، جریان پذیری بالایی برای مخلوط سیمانی مورد نیاز بود تا کیفیت ریخته‌گری خوب نمونه‌ها تضمین شود. نسبت مخلوط سیمانی در جدول 2 فهرست شده است: یک ملات ریزدانه با نسبت آب به چسب (w/b) 0.40 برای ریخته‌گری نمونه‌های 3D-ACPC استفاده شد.

جدول 2 . طراحی مخلوط مواد ماتریس (g/l).

CEM I 42.5 N	خاکستر بادی	ماسه (0.125-0.250 میلی متر)	فوق روان کننده (Glenium 51)	اب	w/b
458	542	458	2	396	0.40

مواد خشک وزن شده ابتدا به مدت 4 دقیقه مخلوط شدند، سپس آب و فوق روان کننده اضافه شد و سپس 4 دقیقه دیگر مخلوط شد. پس از آن، مخلوط سیمانی تازه در یک سرنگ بارگذاری شد و به پوسته ABS چاپ شده نفوذ کرد و به دنبال آن 60 ثانیه لرزش داشت. پس از ریخته‌گری، تمام نمونه‌ها با لایه‌های پلاستیکی پوشانده شدند و به مدت 1 روز در دمای اتاق نگهداری شدند. سپس نمونه ها تا سن 28 روزگی در آب لوله کشی در دمای اتاق پخت شدند.

2.4 . تست های مکانیکی

برای انجام تست های فشرده سازی تک محوری از پرس هیدرولیک (INSTRON 8872) استفاده شد . تنظیم آزمایشی در شکل 5 نشان داده شده استبرای اعمال بار فشاری خارجی از دو صفحه بارگذاری فولادی ثابت استفاده شد. دو فیلم پلاستیکی بین نمونه و صفحات بارگذاری فولادی برای کاهش اصطکاک قرار داده شد. یک جابجایی تک محوری به سمت پایین توسط صفحه فولادی بالایی با سرعت شبه استاتیک 0.01 میلی متر بر ثانیه تا کرنش 45 درصدی نمونه ها اعمال شد. بار توسط لودسل ثبت شد و جابجایی با ضربه ماشین ثبت شد. در طول آزمایشات، یک دوربین دیجیتال رو به روی نمونه قرار داده شد تا عکس بگیرد. پس از آن، تعداد پیکسل‌های بین دو جفت بیرونی‌ترین لبه (بالا/پایین و چپ/راست) نمونه در کرنش‌های مختلف شمارش شد. سپس از تغییر تعداد پیکسل ها برای محاسبه نسبت پواسون 3D-ACPC استفاده می شود.

همانطور که قبلاً اشاره شد، جهت بارگذاری و چاپ پوسته ممکن است بر رفتار فشاری 3D-ACPCs تأثیر بگذارد. بنابراین نمونه های تهیه شده از نظر جهت بارگذاری (سه جهت) به سه سری و بر اساس جهت چاپ (سه جهت) در سه زیربخش طبقه بندی شدند. همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است ، “F”، “L” و “T” به ترتیب جلو، چپ و بالا را نشان می دهد. از این نظر، در مجموع 9 نوع نمونه مورد آزمایش قرار گرفتند: FF، FT، FL، LL، LF، LT، TT، TF، TL همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است . توجه داشته باشید که جهت گرفتن عکس بر پاسخ تنش-کرنش نمونه ها تأثیر نمی گذارد و بنابراین فهرست نشده است.

3 . نتایج و بحث

3.1 . پاسخ استرس-کرنش

منحنی‌های تنش-کرنش تمام 3D-ACPC آزمایش‌شده بر اساس داده‌های بار و جابجایی به‌دست‌آمده از INSTRON 8872 محاسبه می‌شوند. مکعبی که سلول‌های واحد در آن ایجاد شده‌اند برای محاسبه تنش و کرنش استفاده شد. همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است ، سطح مقطع 40 × 40 میلی متر ^مربع و ارتفاع نمونه 40 میلی متر است. تمام منحنی های تنش-کرنش به دست آمده در شکل 8 نشان داده شده است . به وضوح نشان داده شده است که در نتیجه ناهمسانگردی ساختاری و جهت چاپ متفاوت، پاسخ فشاری تمام نمونه های آزمایش شده به طور مشخص با یکدیگر متفاوت است. به جز نمونه LF، همه جهت‌گیری‌های دیگر رفتار سخت‌شدگی فشاری، یعنی تنش فشاری بالاتر را نشان می‌دهند.پس از اولین قله به دست می آید. منحنی تنش-کرنش 3D-ACPC را می توان به طور تقریبی به سه مرحله متوالی تقسیم کرد (همانطور که در شکل 8 د نشان داده شده است)، با توجه به فرآیند فشرده سازی نمونه ها. نویسندگان همین روند را در 2D-ACCCهای قبلی توسعه یافته مشاهده کرده اند [26] ، [28] و گزارش شده است که در بسیاری از انواع دیگر مواد آکستیک رخ می دهد [13] ، [14] ، [32] ، [33] . مقاومت فشاری, σc , 3D-ACPC به عنوان بالاترین تنش اوج به استثنای مرحله “III” و تغییر شکل εc تعریف _میشود _.، به عنوان کرنش مربوط به مقاومت فشاری.

در مرحله “I”، منحنی‌های تنش-کرنش با فرآیند آسیب و انقباض ساختار سلولی سه بعدی مطابقت دارد. با افزایش کرنش فشاری، ابتدا یک تنش پیک به دست می آید و به دنبال آن یک شاخه نزولی همانطور که در شکل 8 a ~ شکل 8 d مشاهده می شود. در این مرحله، 3D-ACPC رفتار اکستیکی را از خود نشان می‌دهد، که توسط مکانیسم موسوم به «چرخش آغاز شده با ترک» [26] ، [27] ایجاد می‌شود: ترک‌ها در مناطق «مفصل» همراه با انقباض افقی نمونه شروع می‌شوند. به عنوان مثال، شکل 9 فرآیند تغییر شکل را نشان می دهداز نمونه های “FF”. در کرنش 5 درصد، ترک ها به وضوح در نواحی مفصل دیده می شوند. همانطور که در شکل 9 ب مشاهده می شود، اتصالات ترک خورده به عنوان لولا عمل می کنند که به بخش ها اجازه می دهد تا در کنار پیشرفت های فشرده سازی بچرخند . در نتیجه، انقباض افقی این نمونه ها مشاهده می شود و 3D-ACPC نسبت پواسون منفی را نشان می دهد ( شکل 10 را ببینید ). داده های نسبت پواسون اندازه گیری شده در جدول 3 فهرست شده است .

جدول 3 . نسبت موقعیت نمونه ها در کرنش های مختلف، مقادیر به دو رقم گرد می شوند.

نژاد (٪)	نسبت پواسون
نژاد (٪)	FFL	FFT	TTL	TTF	LLT	LLF
0	0	0	0	0	0	0
2.5	−0.17	0.30-	0.37-	−0.04	0.35-	-0.21
5.0	0.52-	0.37-	-0.31	-0.21	0.28-	0.32-
10	0.63-	-0.45	0.30-	0.32-	-0.22	-0.47
15	0.28-	0.37-	-0.18	-0.05	−0.11	0.28-
20	−0.12	−0.06	−0.11	0.16	-0.05	-0.18
25	0.07	0.25	0.06	0.33	0.08	0.12
35	0.51	0.66	0.24	0.56	0.36	0.51

در این مرحله، نسبت پواسون منفی توسط 3D-ACPC مشاهده می شود. از شکل 10 a می توان دید که نسبت پواسون FF با کرنش فشاری کاهش می یابد. این به خوبی با رفتار تغییر شکل ( شکل 9 الف) 3D-ACPC در مرحله “I” مطابقت دارد. شایان ذکر است که به دلیل ناهمسانگردی ساختاری، مقادیر نسبت پواسون اندازه گیری شده از دو جهت مشاهده شده (“L” و “T” برای نمونه FF) متفاوت است. روند مشابهی از نسبت پواسون در نمونه های بارگیری شده از جهت “L” ( شکل 10 ب) و “T” ( شکل 10 ج) نیز مشاهده می شود.

محدوده کرنش دقیق مراحل با توجه به راندمان جذب انرژی 3D-ACPC تعیین می شود. با مراجعه به [34] ، بازده جذب انرژی E به صورت زیر تعریف می شود:(1) $E = \frac{\int_{0}^{ε_{m}} σ d ε}{σ_{m}}$ که در آن ε _m و σ _m به ترتیب کرنش فشاری و تنش است. در این کار، همانطور که در شکل 11 نشان داده شده است، دو قله که منحنی تنش-کرنش را به سه مرحله تقسیم می کنند را می توان بر روی منحنی بازده جذب انرژی یافت. کرنش ε _I اولین پیک، حد کرنش مرحله “I”، ε _II قله دوم، حد کرنش مرحله “II” را نشان می دهد، پس از آن مرحله “III” شروع می شود. محدودیت کرنش نیز تحت تأثیر ناهمسانگردی ساختاری و جهت چاپ است. نتایج 3D-ACPC آزمایش شده از همه جهات در جدول 4 فهرست شده است .

جدول 4 . خلاصه ای از نتایج فشاری تک محوری، انحراف استاندارد نشان داده شده است.

نمونه	مقاومت فشاری (MPa)	تغییر شکل پذیری (%)	جذب انرژی (J)	ε _I (%)	ε _II (%)
FF	0.25 ± 3.83	0.09 ± 20.01	63.22 ± 3.64	7.06 ± 0.71	0.72 ± 44.16
FT	0.43 ± 2.21	0.71 ± 21.53	2.74 ± 35.83	0.42 ± 5.83	1.95 ± 35.10
FL	0.37 ± 2.10	1.79 ± 22.66	24.25 ± 3.29	0.28 ± 6.31	38.89 ± 5.71
LL	0.12 ± 5.61	1.81 ± 23.47	77.80 ± 6.11	0.23 ± 9.48	1.83 ± 42.96
LF	0.05 ± 0.43	0.05 ± 2.02	0.07 ± 0.61	0.99 ± 5.34	/
آن	0.41 ± 2.18	18.55 ± 2.15	1.75 ± 26.01	0.50 ± 6.39	36.55 ± 2.55
TT	0.15 ± 3.24	22.34 ± 2.92	50.55 ± 3.44	7.99 ± 1.19	1.84 ± 44.96
TF	0.23 ± 2.01	17.67 ± 1.61	23.40 ± 5.64	1.07 ± 6.29	2.56 ± 35.37
TL	0.17 ± 2.58	1.63 ± 23.41	40.99 ± 4.21	0.2 ± 6.10	35.66 ± 2.33
مکعب ملات	0.17 ± 35.13	0.02 ± 0.13	0.27 ± 6.37	/	/
پوسته (FF)	0.44 ± 0.13	19.98 ± 1.08	0.09 ± 4.62	/	/
پوسته (LL)	0.08 ± 0.37	0.25 ± 18.25	0.19 ± 4.74	/	/
پوسته (TT)	0.05 ± 0.41	0.54 ± 18.39	0.32 ± 4.46	/	/

مرحله “II” مرحله کرنش سخت شدن است. کرنش سخت شدن به دلیل فشرده شدن بعدی ساختار سلولی پس از مرحله “I” رخ می دهد. در شکل 9 مشاهده می شود که با افزایش کرنش بیش از 10 درصد، بخش های 3D-ACPC شروع به تماس می کنند. در نتیجه، همانطور که در منحنی های تنش-کرنش در شکل 8 الف نشان داده شده است، تنش دوباره شروع به افزایش می کند تا زمانی که به قله دوم برسد . به همین ترتیب، اگرچه هنوز منفی است، نسبت پواسون مشاهده شده از هر دو جهت نیز شروع به افزایش می کند همانطور که در شکل 10 مشاهده می شود.آ. در کنار افزایش کرنش بیشتر، ساختار سلولی خرد شده و در نهایت به قلوه سنگ تبدیل می شود که منجر به کاهش تنش پس از پیک دوم می شود. توانایی جذب انرژی 3D-ACPC در این مرحله به دلیل رفتار سخت شدن کرنش به طور قابل توجهی افزایش می یابد. این به شدت با برخی از فوم های سیمانی مرسوم [35] ، [36] ، [37] که معمولاً یک پاسخ تنش-کرنش “پلاتو” یا “سکوی” را در این مرحله نشان می دهند، یعنی بدون رفتار سخت شدن کرنش متفاوت است.

مرحله “III” مرحله تراکم نامیده می شود . در این مرحله قلوه سنگ های تولید شده در مرحله قبل بیشتر فشرده می شود. در طول این فرآیند، قطعات مواد به شدت فشرده می شوند که منجر به افزایش تنش شدید همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است . پدیده مشابهی نیز در انواع دیگر مواد تقویت کننده یافت شد [38] ، و فرض بر این بود که در بتن معمولی همانطور که در یک آزمایش فکری ذکر شد [39] وجود دارد .

3.2 . مقاومت فشاری

در حالی که روند کلی پاسخ تنش-کرنش 3D-ACPC شبیه یکدیگر است، تأثیر ناهمسانگردی ساختاری و جهت چاپ بسیار مهم است. یکی از شهودی ترین مشاهدات، فرآیند تغییر شکل 3D-ACPC است. به عنوان مثال، شکل 9 a تغییر شکل نمونه FT را نشان می دهد که از جهت “F” بارگذاری می شود در حالی که پوسته از جهت “T” چاپ شده است. در مرحله “I” نمونه FT رفتار ترک خوردگی مشابه FF را نشان می دهد (نشان داده شده در شکل 9 a). در مقابل، در مرحله “II” ترک های شکاف متعدد را می توان بر روی نمونه FT مشاهده کرد.

دلیل احتمالی چنین تفاوتی به تأثیر جهت چاپ پوسته ABS نسبت داده می شود. همانطور که قبلاً اشاره شد، رابط بین لایه های چاپ شده پوسته FT موازی با جهت بارگذاری است. همانطور که توسط بسیاری از مطالعات [40] ، [41] ، [42] درک شده است، به دلیل رابط ضعیف لایه های چاپی، یک شی مقاومت فشاری کمتری را نشان می دهد زمانی که رابط چاپی موازی با جهت بارگذاری نسبت به عمود بر آن باشد. در نتیجه، همانطور که در شکل 12 مشاهده می شودمقاومت فشاری (تعریف شده با بالاترین مقاومت پیک قبل از مرحله “II”) نمونه های FT و FL به ترتیب 2.2 مگاپاسکال و 2.1 مگاپاسکال است. این واقعیت که آنها 42.1٪ و 44.7٪ کمتر از مقاومت فشاری FF (3.8 MPa) هستند، دلیلی بر تأثیر جهت چاپ است.

علاوه بر این، اثر مشابهی در سایر سری‌های نمونه (“T” و “L”) نیز دیده می‌شود. همانطور که در شکل 12 مشاهده می شود ، نمونه های FF، LL و TT که جهت بارگذاری و چاپ پوسته یکسانی دارند، مقاومت فشاری بالاتری از خود نشان می دهند. به ویژه، در بین نمونه های آزمایش شده، بالاترین مقاومت فشاری 5.61 مگاپاسکال است که توسط نمونه LL بدست می آید در حالی که کمترین مقاومت فشاری به دست آمده توسط نمونه LF به دلیل تغییر جهت چاپ، 92.4٪ کمتر است (0.43 MPa). همانطور که در شکل 13 مشاهده می شود ، LL فرآیند تغییر شکل مشابه FF را نشان می دهد، بنابراین رفتار سخت شدن کرنش نیز به دست می آید. در تضاد شدید، نمونه LF شکست خوردبه بخش های جداگانه در اوایل مرحله “I” به دلیل شروع ترک در اتصالات، در نتیجه، رفتار سختی را همانطور که توسط منحنی های تنش-کرنش در شکل 8 ب نشان داده شده است، به دست نیاورد و مقاومت فشاری پایینی را نشان می دهد. خلاصه ای از نتایج آزمایش فشاری تک محوری در جدول 4 آورده شده است .

همانطور که قبلا ذکر شد، تاثیر جهت چاپ بر مقاومت فشاری 3D-ACPC بسیار مهم است. منشأ چنین تاثیری در واقع در استحکام پیوند رابط لایه‌های پرینت سه بعدی نهفته است. به عبارت دیگر، با افزایش استحکام پیوند بین لایه های چاپ شده ممکن است یک روش موثر برای بهبود عملکرد مکانیکی جهانی 3D-ACPC باشد. این را می توان با بهینه سازی پارامترهای چاپ، مانند دمای چاپ [43] و سرعت خنک کننده [44] به دست آورد .

3.3 . تغییر شکل پذیری و جذب انرژی

همانطور که در بخش قبل نشان داده شد، نمونه های FF، LL و TT در مقایسه با نمونه های دیگر مقاومت فشاری بالاتری از خود نشان می دهند. علاوه بر این، تغییر شکل پذیری بالایی نیز در این 3D-ACPC وجود دارد. همانطور که در شکل 14 مشاهده می شود ، تغییر شکل فشاری نمونه های FF، LL و TT به ترتیب 20.0، 23.5 و 22.3 درصد است. آنها به طور قابل توجهی بالاتر از تغییر شکل 0.2٪ ملات سیمانی معمولی هستند. علاوه بر این، اگرچه رفتار فشاری سخت‌کننده کرنش مشابهی نیز تنها هنگام فشرده‌سازی پوسته ABS چاپ شده به دست می‌آید (نشان داده شده در شکل 15 )، تغییر شکل‌پذیری 3D-ACPC هنوز در سه جهت مختلف کمی بالاتر است.

به دلیل چنین تغییر شکل پذیری بالایی، این 3D-ACPC جذب انرژی به طور قابل توجهی بالاتری را در مقایسه با ملات سیمانی معمولی نشان می دهند (که توسط ناحیه زیر منحنی بار-جابجایی 3D-ACPC به استثنای مرحله “III” تعریف می شود. شکل 15 منحنی تنش-کرنش پوسته ABS را نشان می دهد، پاسخ فشاری کلی پوسته ABS شبیه 3D-ACPC است: پوسته ABS نیز تغییر شکل پذیری خوبی را نشان می دهد. با این وجود، مقاومت فشاری پوسته ABS به طرز چشمگیری کمتر از 3D-ACPC است. همانطور که در شکل 15 مشاهده می شودپیک دوم پوسته ABS تقریباً 0.5 مگاپاسکال است، حتی تنش در 45 درصد کرنش هنوز کمتر از 1 مگاپاسکال است که تضاد شدیدی با قدرت 3D-ACPC ایجاد می کند. این یکی از اشکالات مهم مواد سلولی پلیمری است که توانایی جذب کل انرژی را محدود می کند، حتی آنها تغییر شکل پذیری عالی نیز دارند. در شکل 14 نشان داده شده است که انرژی جذب شده FF، LL و TT به ترتیب به 63.2 J، 77.8 J و 50.5 J می رسد. در مقابل، ملات سیمانی و پوسته ABS هر دو کمتر از 10 ژول هستند. این بدان معناست که ساختار کامپوزیت های سه بعدی به طور همزمان بر تغییر شکل پذیری کم ملات سیمانی و جذب انرژی کم پوسته ABS غلبه کرده است.

به عنوان یک ماده سلولی، سبک وزن یکی از ویژگی های مهم 3D-ACPC است. در مقایسه با چگالی ملات سیمانی حجیم (تقریباً 1850 کیلوگرم بر متر ^مکعب برای مخلوط مورد استفاده در این مطالعه)، چگالی 3D-ACPC تنها 986 کیلوگرم بر متر ^مکعب است . این به 3D-ACPC جذب انرژی و استحکام بالایی برای همان وزن می دهد. به ویژه، برای 3D-ACPC توسعه یافته در این مطالعه، تأثیر ناهمسانگردی ساختاری و جهت چاپ پوسته حیاتی است. در شکل 16 مشاهده می شود که نمونه LL بالاترین جذب انرژی ویژه 1.23 J/g (انرژی جذب شده در هر گرم ماده) و استحکام ویژه 5.69 MPa/g·cm ^{3 را نشان می دهد.}(قدرت تقسیم بر چگالی) بر تمام جهات دیگر. هنگامی که با 2D-ACCCs توسعه یافته در [26] ، [27] ، [45] مقایسه شد که مشخص شد جذب انرژی ویژه بالایی دارند، نمونه‌های LL، FF و TT همچنان به مقادیر بالاتری دست یافتند.

نتایج قبلی قبلاً نقش غالب فرآیند چاپ و ناهمسانگردی ساختاری را بر روی خواص مکانیکی 3D-ACPC نشان داده‌اند. برای کاربرد بیشتر بالقوه 3D-ACPC، یک استراتژی افزایش مقیاس مناسب نیز باید بیشتر مورد توجه قرار گیرد. ممکن است دو رویکرد بالقوه بالا وجود داشته باشد. یکی این است که سلول واحد را به طور متناسب بزرگ کنیم، بنابراین، ساختاری بزرگتر از یک جهت خاص ایجاد کنیم، همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است.. رفتار مکانیکی کلی ساختار ارتقا یافته باید شبیه پاسخ فشاری هر سلول واحد باشد که در این مطالعه توضیح داده شده است. البته، اثر اندازه مواد تشکیل دهنده سیمانی و پلیمری باید در نظر گرفته شود. در این مورد، تأثیر جهت چاپ در انتخاب سلول واحد غالب است. با توجه به عملکرد مکانیکی، “LL” به راحتی یک انتخاب بهینه خواهد بود اگر سایر پارامترهای هندسی در معادله. (1) هنوز حفظ می شود. روش دیگر تکرار چندین بار سلول های واحد است. سپس خواص مکانیکی کلی می تواند به طور قابل توجهی با سلول های واحد جداگانه متفاوت باشد. می توان انتظار داشت که عملکرد مکانیکی تا حد زیادی به آرایش فضایی، پیکربندی و تعداد کل سلول های واحد تکراری بستگی دارد. مشابه سایر کامپوزیت های سلولی از این نظر، LL ممکن است لزوماً انتخاب بهینه ای برای ایجاد کامپوزیت های ارتقا یافته نباشد. رویکرد دوم بسیار پیچیده است، واستراتژی بهینه سازی چنین کامپوزیت هایی باید در مطالعات آینده مورد بررسی قرار گیرد.

4 . نتیجه گیری

در کار حاضر، یک کامپوزیت سیمانی-پلیمری auxetic با ساختار سلولی سه بعدی معماری (3D-ACPC) توسعه یافت. 3D-ACPC با تجهیز پوسته پلیمری پرینت سه بعدی به پرکننده سیمانی معمولی ساخته شد. رفتار فشاری 3D-ACPC با استفاده از آزمایش فشرده سازی تک محوری مورد مطالعه قرار گرفت. به طور خاص، رفتار تغییر شکل ، پاسخ تنش-کرنش و ویژگی‌های جذب انرژی 3D-ACPC مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس نتایج تجربی به‌دست‌آمده، می‌توان به نتایج زیر دست یافت:

•
3D-ACPC توسعه یافته نشان می دهد رفتار auxetic تحت فشرده سازی تک محوری (به عنوان مثال، نسبت پواسون منفی) به دست آمده است. 3D-ACPC به یک پاسخ تنش-کرنش فشاری سه مرحله‌ای معمولی مواد آکستیک دست یافت.
•
با توجه به رابط های ضعیف بین لایه های چاپ شده سه بعدی، تأثیر جهت چاپ پوسته ABS بر ویژگی های 3D-ACPC قابل توجه است. هنگامی که جهت بارگذاری و چاپ متفاوت است، مقاومت فشاری و جذب انرژی به طور قابل توجهی کمتر است. نمونه LF (بارگذاری شده از جهت “L”، چاپ شده از جهت “F”) 92.33٪ و 99.26٪ مقاومت فشاری و جذب انرژی کمتری نسبت به نمونه LL (بارگیری و چاپ شده از جهت “L”) نشان می دهد.
•
3D-ACPC ناهمسانگردی ساختاری آشکاری را تحت فشرده سازی تک محوری نشان می دهد. برای نمونه هایی با جهت بارگذاری و چاپ پوسته یکسان، بالاترین مقاومت فشاری و جذب انرژی 5.61 مگاپاسکال و 77.80 ژول بدست آمده توسط نمونه LL است. در حالی که کمترین 3.24 مگاپاسکال و 50.55 ژول بدست آمده توسط نمونه TT است.
•
با توجه به ساختار کامپوزیت سلولی 3 بعدی، 3D-ACPC بر تغییر شکل پذیری پایین ملات سیمانی و توانایی جذب انرژی ضعیف پوسته پلیمری غلبه کرده است، بنابراین، توانایی جذب انرژی به طور قابل توجهی بهبود یافته است. نمونه LL به ترتیب 2129% و 71.21% جذب انرژی ویژه بالاتری نسبت به ملات سیمانی و پوسته ABS بدست آورد.

3D-ACPC توسعه یافته خواص مکانیکی خوبی را نشان می دهد که به آن پتانسیل زیادی برای استفاده در عمل مهندسی می دهد. با این حال، عملکرد 3D-ACPC ممکن است با بهینه سازی پارامترهای ساختاری ساختار سلولی سه بعدی و ساخت مخلوط های سیمانی بیشتر بهبود یابد. علاوه بر این، 3D-ACPC توانایی جذب انرژی بالایی را تحت بار شبه استاتیک نشان می دهد، در حالی که پاسخ دینامیکی 3D-ACPC هنوز مورد مطالعه قرار دارد. این جنبه ها ارزش بررسی در کارهای آینده را دارند.