热驱动下周期性多孔材料斑图演化规律的理论与实验研究

Periodic cellular materials have been widely applied in the engineering fields due to their outstanding properties.Different microstructures and novel properties of the cellular materials can be designed according to their applications. During the usage, the pattern of their porous microstructures can be transformed easily under external loadings, and the research on the pattern of the periodic cellular materials has been popular in the mechanical, material, physical, and biological fields. In this project, we focus on the pattern transformation of periodic cellular materials (or bundle materials) under thermal stimuli and investigate the mechanism of the corresponding pattern transformation by using experimental method, numerical stimulation and theoretical analysis. We first investigate the effect of the material behavior, tube diameter in the bundle, pattern of the bundle, different thermal stimuli on the pattern transformation of the periodic cellular materials. Then, the corresponding mechanism of the pattern transformation will be studied theoretically. Furthermore, a numerical method, which can consider the temperature, external pressure, external forces, deformed energy and surface energy, etc., will be developed. Finally, we will give the guideline to manufacture the periodic cellular materials with some novel patterns. This project will be significant on understanding the porous microstructure, the properties of the materials and the relationships between them, but also will be helpful to manufacturing the cellular material and understanding the self-organization phenomena.

周期性多孔材料具有许多特殊的性能以及广泛的用途，其结构可以设计并且在外力驱动下易发生斑图演化现象，已经成为力学、材料、物理、生物等多个领域的前沿热点。本项目以周期性多孔材料为对象，通过实验、数值模拟和理论计算等多种方法研究热驱动下周期性多孔材料斑图的演化规律及其机制，重点探讨材料性质、管径大小、排列方式、加热方式等因素对于周期性多孔材料斑图演化的影响，探寻发生斑图演化的本质规律，发展可以表征温度、压强、外力、变形能和材料表面能等多种因素耦合的数值模拟方法，并基于理论研究，指导制备具有复杂斑图的周期性多孔材料的工艺技术。本项目的研究对于了解材料结构与性能的关系，指导新材料、新结构的设计和制备，以及理解自组装问题等都具有重要的科学意义和应用价值。

周期性多孔材料具有许多特殊的性能以及广泛的用途，其结构可以设计并且在外力驱动下易发生斑图演化现象，已经成为力学、材料、物理、生物等多个领域的前沿热点。本项目以周期性多孔材料为对象，通过实验、数值模拟和理论计算等多种方法研究热驱动下周期性多孔材料斑图的演化规律及其机制，重点发展了基于3D技术的管束材料的斑图演化特性和多孔薄膜新颖表面斑图的研究，探寻发生斑图演化的本质规律，并基于理论研究，指导制备具有复杂斑图的周期性多孔材料的工艺技术。主要成果如下：首先，在加热条件下3D打印的PLA周期性管束结构出现斑图演化现象，其机理是因为打印过程中结构中产生了均匀内应变，该内应变在结构再次受热时完全释放。最终建立了解析的热驱动下应力、应变和变形的表达式，可以准确的预测管束材料的斑图演化。其次，发现多孔薄膜在两端固支拉伸作用下，其孔周边将发生褶皱，进而产生新颖的斑图，且通过改变孔位置、半径和排布，可得到不同的褶皱斑图。通过特征屈曲分析、后屈曲分析和应力分析对其中的力学机理进行了解释，给出了微结构薄膜的褶皱机理以及褶皱斑图与孔位置、半径和排布的关系，实现了利用孔结构对褶皱斑图进行调控，最后，完成了蜂窝形成六边形结构的机理的研究，揭示发现蜜蜂首先建造圆形截面的蜂窝孔而非六边形，同时利用了粘弹态本构关系，从理论证实了天然蜂窝六边形结构的形成与最小蜂窝孔表面能有关。本项目的研究对于了解材料结构与性能的关系，指导新材料、新结构的设计和制备，以及理解自组装问题等都具有重要的科学意义和应用价值。