软件学院何乐为团队在材料领域重要期刊 《Materials & Design》上发表高水平研究论文

近日，我校软件学院何乐为团队利用齿状层界面大幅提升了3D打印混凝土的层间强度，并提出了层间强度随齿倾角变化的理论公式。研究成果“Increasing the interlayer strength of 3D printed concrete with tooth-like interface: An experimental and theoretical investigation”在线发表在材料领域国际重要期刊《Materials & Design》（中科院一区Top，影响因子9.417）。我校何乐为副研究员为论文第一作者，南洋理工大学李华教授、香港大学钱野助理教授为该论文的通讯作者，我校为第一完成单位。

3D打印技术又叫增材制造技术，采用逐层叠加的方式构建打印产物，被广泛应用于航空航天、国防军工、生物医疗等众多领域。混凝土3D打印作为一个重要分支，因其设计自由度高，机械化程度高，施工周期短等特点，亦得到了越来越多的关注。现阶段，混凝土3D打印面临的一个重要问题是：通过打印得到的混凝土构件在层间的强度略低于混凝土本身的强度，从而导致结构容易开裂，并对日后使用造成重大安全隐患。为解决这一问题，本文作者设计了一种齿状的层间界面，并发现合适的齿倾角可以显著提高3D打印混凝土的层间强度，进而在此基础上推导出了根据齿倾角预测层间强度的理论公式。

本文共研究了15º和45º两种齿倾角在层间拉伸强度和剪切强度上的表现，主要可分为实验和理论两大部分。在实验部分中，作者通过一种U形弯管的设计使得混凝土材料可以被水平挤出，以最大限度地保持混凝土的截面形状不被破坏，并准确生成具有相应齿倾角的齿状界面。实验表明，相较于传统平直界面的0.36兆帕拉伸强度，15º齿倾角对层间强度的提升比较有限（仅增加0.07兆帕），而45º齿倾角可以将层间拉伸强度大幅提升到1.42兆帕，并将层间剪切强度从平直界面的2.22兆帕提升到4.19兆帕。另外，材料的基体强度被看作齿倾角等于90º的特殊情况，此时拉伸强度为2.35兆帕，剪切强度为7.41兆帕。可以看出，层间强度随齿倾角的增长并不是线性的，而是一个加速再减速的过程，并不能简单归因于层界面面积的增加。

在理论部分中，作者通过合理假设将层间孔隙简化为圆孔以计算其周向应力，并将计算分解为4种情况，而最终的理论强度就是4种情况的包络线。通过与实验数据相比较，理论强度与实际强度的误差约为5%。此外，该理论公式还可以成功预测层间的破坏方式，并描绘层间强度的1σ封套，使实际测得的标准差位于该封套内。通过案例分析，本文还发现层间强度随打印间隔时间的下降可归因于层间孔隙的扩增和层间粘附力的削弱，并且当间隔时间小于5分钟时，层间孔隙起主导影响；而当间隔大于5分钟时，层间的粘附力则更为关键。本文的发现弥补了在混凝土3D打印领域通过齿状层界面来提高混凝土层间强度的空缺，并提出了层间强度随齿倾角变化的理论公式，为后续的相关研究应用提供了重要实验和理论依据。

上述研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、以及华南师范大学青年教师科研培育基金的资助。

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111117