原文出自Materials and Solidification (材料与凝固)期刊

Cite this article:

Eremin AV, Frolov MA, Krutov AF, et al. Experimental and numerical study of thermal and mechanical properties of porous materials based on triply periodic surfaces. Materials and Solidification, 2025, https://doi.org/10.26599/MAS.2025.9580001 

文章DOI：10.26599/MAS.2025.9580001

一、研究亮点

1. 首创三周期曲面（TPS）生成技术，基于沸石晶体原子网络拓扑结构，开发了全新三周期曲面生成方法，突破了传统依赖解析公式的限制，可无限生成新型有序三维多孔结构。2. 3D打印技术实现精准制造，采用SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）和PA-12（聚酰胺）材料，通过熔融沉积成型（FDM）和光固化技术，成功制备了复杂拓扑结构的多孔样品。3. 数值模拟与实验高度吻合，利用ANSYS软件对热导率、压缩模量等关键性能进行模拟，结果与实验数据误差小于5%，验证了模型的可靠

二、研究成果

1. 热学性能优化

l 提出基于代表体积单元（RVE）的等效热导率计算方法，揭示了孔隙率与热导率的线性关系（图1）。

图1

l 实验测得SBS材料热导率最低可达0.0159 W·m⁻¹·°C⁻¹，适用于高效隔热材料设计。

2. 力学性能突破

l PA-12多孔材料压缩模量最高达14.86 MPa（4×4×4单元结构），且各向异性显著，为定制化力学性能提供可能。

l 通过Gibson-Ashby模型分析，揭示了拓扑几何特性对能量吸收能力的影响（图2—图3）。

图2

图3

3. 八种新型TPS结构库，基于SOD、RHO、LTA等沸石晶体，构建了涵盖P型、C(P)型和I-WP型的三周期曲面数据库（图4），为复合材料设计提供丰富模板。

图4

三、结论与应用前景

本研究提出了一种基于晶体拓扑网络生成三周期曲面的普适方法，结合3D打印与数值模拟技术，成功实现了多孔材料热学与力学性能的精准调控。该成果可广泛应用于：

· 航空航天：轻量化高强隔热结构

· 生物医学：定制化骨支架材料

· 能源环保：高效热管理器件

四、作者及研究团队简介

Anton Vladimirovich Eremin. Doctor of Engineering Sciences. Head of Heat Power Department and Vice-Rector for Integration Projects, Samara State Technical University. Research interests: computational methods, thermodynamics.

Mikhail Alexandrovich Frolov. Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor of Department of General and Inorganic Chemistry, Engineer of Samara Center of Theoretical Materials Science, Samara Polytech, Samara, Russia. Research interests: chemistry, physics, and materials mechanics, continuum mechanics.

Alexander Fedorovich Krutov. Doctor of Physical and Mathematical Sciences, professor, Head of Laboratory of Computational Geometry and Theoretical Materials Science, PSUTI, Senior Research Officer of Samara Center of Theoretical Materials Science, Samara Polytech, Samara, Russia. Research interests: mathematical physics, relativistic theory of composite systems, theory of functional electron density, theoretical materials science.

Mikhail Igorevich Smolkov. Candidate of Physical and Mathematical Sciences degree seeking applicant, Research assistant of Laboratory of Computational Geometry and Theoretical Materials Science, PSUTI, Research Officer of Samara Center of Theoretical Materials Science, Samara Polytech, Samara, Russia. Research interests: computational geometry, computational mathematics, programming, machine learning.

《材料与凝固（英文）》（Materials and Solidification）期刊简介

《材料与凝固（英文）》由清华大学出版社出版，西北工业大学凝固技术国家重点实验室提供学术支持，实验室李金山教授担任主编，王俊杰教授担任执行主编。期刊聚焦于凝固理论和凝固技术方面的前沿研究成果，发表金属、半导体、有机、无机和聚合物材料块状或薄膜凝固理论和凝固技术的前沿研究成果，包括但不限于，凝固加工相关的铸造、焊接和增材制造，还涉及电、超声、磁、微重力等多物理场中的非平衡凝固现象。

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