Unraveling the reinforcing mechanisms for cementitious composites with 3D printed multidirectional auxetic lattices using X-ray computed tomography

辅助 材料科学 复合材料 3d打印 计算机断层摄影术 X射线 生物医学工程 光学 医学 物理 放射科
作者
Zhaozheng Meng,Yading Xu,Jinbao Xie,Wen Zhou,Rowin J.M. Bol,Qingfeng Liu,Branko Šavija
出处
期刊:Materials & Design [Elsevier BV]
卷期号:246: 113331-113331 被引量:18
标识
DOI:10.1016/j.matdes.2024.113331
摘要

This study investigates the mechanical properties of cementitious composites with 3D-printed auxetic lattices, featuring negative Poisson’s ratios (auxetic behavior) in multiple directions. These lattices were fabricated using vat photopolymerization 3D printing, and three base materials with varying stiffness and deformation capacities were analyzed to determine their impact on the composites’ mechanical behavior. To unravel the reinforcing mechanisms of multidirectional auxetic lattices, which exhibit auxetic behavior in both planar and out-of-plane directions, X-ray computed tomography (X-ray CT) was utilized to analyze composite damage evolutions under different strain levels. The micro-CT characterization reveals that auxetic lattices more effectively constrain crack growth and dissipate energy by distributing stress evenly within the cement matrix. In contrast, due to lack of lateral confinement, the non-auxetic lattice reinforced composites primarily dissipate energy through extensive crack propagation and interfacial damage, leading to lower peak strength. When strain exceeding 5%, although the confinement from the auxetic behavior diminished with crack propagation, the lattice can still maintain the composite’s structural integrity, resulting in 1.7 times higher densification energy than conventional cement-based materials. These findings provide valuable insights for designing auxetic lattice-reinforced cementitious composites with enhanced load-bearing capacity and improved dissipation capabilities.
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