航空学院硕士研究生彭陈云，使用Markforged X7的熔融丝3D打印工艺制备了Onyx/CFR复合材料的三种不同结构的拉伸样件：标准结构(SS)、负泊松比结构(NPS)、仿生羽毛结构(BFS)。通过拉伸试验和有限元模拟，分析了三种不同结构的拉伸性能和其在拉伸载荷下的裂纹扩展路径，并利用分形理论方法计算了每种结构裂纹的分形维数。相关工作以“Influence of structural geometry on tensile properties and fracture toughness in 3D printed novel structures”为题发表在国际Top期刊Engineering Failure Analysis（EFA, IF=4.0, DOI:10.1016/j.engfailanal.2024.108277）上。本文的指导老师和通讯作者为航空学院讲师蔺诗韵老师。
蜂窝夹层结构是复合材料的一种特殊结构形式。与传统材料相比，具有重量轻、比强度高、比刚度高、抗冲击、剪切模量高、抗振、隔热、设计性能强等优点，广泛应用于航空航天、船舶、车辆、风力发电、建筑等领域。夹层结构一般由上面板、下面板、芯层和粘结层组成，其力学性能主要取决于芯层的性能和几何特性。芯层通常由多孔固体结构，如蜂窝和泡沫等组成。随着对蜂窝结构研究不断深入以及先进的成型工艺和新材料的出现，开发高性能的新型蜂窝拓扑结构成为了重要的研究方向。
图1 Onyx/CFR复合材料结构拉伸样件(a)标准结构；(b)负泊松比结构；(c)仿生羽毛结构
通过对使用Onyx/CFR复合材料制备的三种不同结构样件进行拉伸试验，结合扫描电镜对复合材料断面的失效机理分析，以及采用有限元仿真分析方法对样件在拉伸载荷作用下的裂纹扩展趋势进行分析，可以全面评估这三种结构的拉伸性能。同时，通过光学显微镜观察三种蜂窝结构在受拉断裂时裂纹扩展路径的不规则性，进一步放大观察样件断裂路径，发现裂纹扩展路径具有自相似性，符合分形理论的应用条件。这些综合分析方法为评估复合材料结构样件的性能提供了有力支持。
图2裂纹扩展路径自相似示意图
图3拉伸试验应力-应变曲线
图4三种结构样件断面SEM图
图5三种结构在不同拉伸阶段的应力云图(a)(b)(c): SS；(d)(e)(f): NPS；(g)(h)(i): BFS
通过在三种不同结构拉伸样件的断面处使用光学显微镜采集裂纹路径样本，然后利用Matlab计算出不同结构的裂纹样本的分形维数。通过分形理论的角度对这三种结构的拉伸性能进行评估。
图6 裂纹样本采集
