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Article Dans Une Revue Additive Manufacturing Année : 2020

Bioinspired multilayered cellular composites with enhanced energy absorption and shape recovery

Composites cellulaires multicouches bioinspirés à absorption d'énergie et reprise de forme améliorées

Huan Jiang
Yanyu Chen
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1119791

Résumé

Inspired by the multiscale configuration of the microstructure of cork, the paper describes the design, 3D printing, and evaluation of a new type of multilayered cellular composite (MCC) structure composed of hard brittle and soft flexible phases. The mechanical behavior of 3D printed MCC structures have been investigated both experimentally and numerically. The experiments show that the MCC structure absorbs four times the amount of energy of a conventional cellular configuration under compressive strains up to 70%. Finite element simulations and 2D digital image correlation (DIC) also show that the multilayered architecture provides a more uniform strain distribution and higher stress transfer efficiency, with a resulting progressive failure mode rather than a catastrophic one. Cyclic loading tests demonstrate that the MCC structure also possesses exceptional shape recoverability under compressive deformations up to 40%. These remarkable performance characteristics result from synergies between the properties of the two constituent materials and the chosen multilayered cellular microstructure. The soft phase, in particular, plays a pivotal role in absorbing elastic energy during loading and then releasing the stored energy while unloading. The volume fraction of the soft phase is also essential to control energy absorption and the transition of failure modes. The deformation mechanisms demonstrated here are robust and applicable to other architected cellular materials across multiple length scales and suggest new ways to design lightweight and high-resilience structural materials.
Inspiré par la configuration multi-échelle de la microstructure du liège, cet article décrit la conception, l'impression 3D et l'évaluation d'un nouveau type de structure composite cellulaire multicouche (MCC) composée de phases dures et fragiles et de phases souples et flexibles. Le comportement mécanique des structures MCC imprimées en 3D a été étudié à la fois expérimentalement et numériquement. Les expériences montrent que la structure MCC absorbe quatre fois la quantité d'énergie d'une configuration cellulaire conventionnelle sous des contraintes de compression allant jusqu'à 70%. Les simulations par éléments finis et la corrélation d'images numériques (DIC) en 2D montrent également que l'architecture multicouche permet une distribution plus uniforme des déformations et une meilleure efficacité du transfert des contraintes, avec pour résultat un mode de défaillance progressif plutôt que catastrophique. Les essais de chargement cyclique démontrent que la structure MCC possède également une capacité exceptionnelle de récupération de la forme sous des déformations en compression allant jusqu'à 40 %. Ces remarquables caractéristiques de performance résultent des synergies entre les propriétés des deux matériaux constitutifs et de la microstructure cellulaire multicouche choisie. La phase molle, en particulier, joue un rôle central dans l'absorption de l'énergie élastique pendant le chargement et la libération de l'énergie stockée pendant le déchargement. La fraction volumique de la phase molle est également essentielle pour contrôler l'absorption d'énergie et la transition des modes de défaillance. Les mécanismes de déformation démontrés ici sont robustes et applicables à d'autres matériaux cellulaires architecturés sur plusieurs échelles de longueur et suggèrent de nouvelles façons de concevoir des matériaux structurels légers et à haute résilience.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

hal-03472100 , version 1 (09-12-2021)

Identifiants

Citer

Huan Jiang, Louise Le Barbenchon, Brett A Bednarcyk, Fabrizio Scarpa, Yanyu Chen. Bioinspired multilayered cellular composites with enhanced energy absorption and shape recovery. Additive Manufacturing, 2020, 36, pp.101430. ⟨10.1016/j.addma.2020.101430⟩. ⟨hal-03472100⟩
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