RMIT 3D打印新型超硬能量吸收晶格結(jié)構(gòu)，適用于建筑,、醫(yī)療和安全領(lǐng)域

2025年3月14日,，南極熊獲悉，來自皇家墨爾本理工大學(xué)的研究人員開發(fā)出了一種仿生晶格結(jié)構(gòu) (BLS),，剛度比現(xiàn)有的膨脹材料高 13 倍,，能量吸收率高 10%。晶格結(jié)構(gòu)受到深海六足海綿Euplectella aspergillum （俗稱維納斯花籃）的啟發(fā),，在 60% 更大的應(yīng)變范圍內(nèi)保留了膨脹特性,，可應(yīng)用于建筑、防護(hù)裝備和醫(yī)療植入物,。

△Euplectella aspergillum的骨骼系統(tǒng),，

相關(guān)研究以題為“Auxetic behavior and energyabsorption characteristics of a lattice structure inspired by deep-sea sponge”的論文發(fā)表在《復(fù)合結(jié)構(gòu)》期刊上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835

與傳統(tǒng)材料在拉伸時(shí)變薄,、在壓縮時(shí)膨脹不同,，膨脹材料的行為則相反。這種特性此前已應(yīng)用于醫(yī)療支架等領(lǐng)域,，在這些領(lǐng)域,，控制膨脹至關(guān)重要。然而,，現(xiàn)有的膨脹材料通常剛度較低,，能量吸收有限，限制了更廣泛的應(yīng)用,。

然而,，傳統(tǒng)的膨脹設(shè)計(jì)，如凹入式蜂窩結(jié)構(gòu),，歷來存在剛度低,、能量吸收有限的問題，限制了它們的實(shí)際應(yīng)用,。據(jù)這項(xiàng)研究的主要作者馬嘉明博士介紹,，他們通過開發(fā)一種雙晶格結(jié)構(gòu)來解決這一限制，這種結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化負(fù)載分布和抗變形能力,。

△Mike Xie 教授和 Jiaming Ma 博士手持團(tuán)隊(duì)的雙晶格設(shè)計(jì)的 3D 打印模型,。照片來自皇家墨爾本理工大學(xué)。

增強(qiáng)剛度和能量吸收

為了測(cè)試結(jié)構(gòu)性能,，研究人員使用 3D 打印熱塑性聚氨酯 (TPU) 制作了原型,。選擇TPU材料是因?yàn)樗�的靈活性,，使團(tuán)隊(duì)能夠研究結(jié)構(gòu)在壓縮載荷下的膨脹行為。

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測(cè)試證實(shí),，仿生晶格在結(jié)構(gòu)破壞之前能夠承受更高的峰值應(yīng)力,，同時(shí)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在更寬的應(yīng)變范圍內(nèi)保持其膨脹行為。

有限元分析 (FEA) 模擬進(jìn)一步表明,，雙晶格結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)剛度和能量吸收,。剛度增加 13 倍，能量吸收提高 10%,，這表明這些增強(qiáng)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身而不是其所用材料的結(jié)果,。

該研究還檢查了晶格幾何變化如何影響性能，結(jié)果表明增加非對(duì)角梁的厚度可提高剛度,，而擴(kuò)大對(duì)角梁之間的間距可提高能量吸收,。

合著者 Ngoc San Ha 博士強(qiáng)調(diào)了這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在抗震建筑中的潛在應(yīng)用，其高剛度和能量吸收可以減少對(duì)鋼材和混凝土的需求,，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)完整性,。

除了建筑用途之外，晶格結(jié)構(gòu)還可以用于輕型裝甲,、防彈背心和抗沖擊醫(yī)療植入物等能量吸收至關(guān)重要的領(lǐng)域,。

雖然最初的原型是使用 TPU 制造的，但下一階段的研究將側(cè)重于使用鋼基版本擴(kuò)大生產(chǎn),。研究團(tuán)隊(duì)還在探索機(jī)器學(xué)習(xí)算法,，以進(jìn)一步優(yōu)化不同應(yīng)用的結(jié)構(gòu)，包括具有可調(diào)機(jī)械性能的可編程材料,。

研究團(tuán)隊(duì)表示,，通過進(jìn)一步改進(jìn)，膨脹晶格結(jié)構(gòu)可以為建筑,、安全和醫(yī)療行業(yè)提供更高效,、更靈活的解決方案,。

△雙晶格結(jié)構(gòu)（左）的性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)凹入式蜂窩設(shè)計(jì)（右）,。照片來自皇家墨爾本理工大學(xué)。

RMIT 主導(dǎo)的材料研究

這項(xiàng)研究與RMIT在材料科學(xué)和3D打印領(lǐng)域的更廣泛努力相一致,，旨在推動(dòng)各個(gè)行業(yè)更強(qiáng)大,、更輕、更高效的結(jié)構(gòu),。

去年,，這所澳大利亞大學(xué)開發(fā)了一種3D 打印鈦超材料，其強(qiáng)度比航空航天應(yīng)用中使用的密度相同的最強(qiáng)鎂合金高出 50%,�,？招闹е�晶�� (HLS) 結(jié)構(gòu)由 Ti-6Al-4V 鈦合金制成,，采用多拓?fù)湓O(shè)計(jì)來均勻分布負(fù)載應(yīng)力，減少弱點(diǎn)并增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度,。

超結(jié)構(gòu)采用粉末床熔合 (PBF) 增材制造技術(shù)制造,，克服了之前在可制造性和應(yīng)力集中方面的挑戰(zhàn)。壓縮測(cè)試證實(shí)了該材料的耐用性有所提高,，使其適用于醫(yī)療植入物,、飛機(jī)和火箭部件。由于具有生物相容性,、耐腐蝕性和高達(dá) 350°C 的耐熱性,，它有望用于高性能應(yīng)用，甚至有可能適應(yīng)更高的溫度,。

此外,，RMIT 的研究人員通過模仿龍蝦的螺旋殼圖案優(yōu)化了 3D 打印混凝土結(jié)構(gòu)，提高了耐久性和負(fù)載分布,。通過使用基于擠壓的混凝土 3D 打印機(jī)調(diào)整打印圖案,，他們實(shí)現(xiàn)了更大的各向同性，減少了傳統(tǒng)層堆疊混凝土中常見的弱界面粘結(jié),。

進(jìn)一步使用 6 毫米鋼纖維（0.75%）進(jìn)行加固,，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)完整性，最大限度地減少了缺陷,，并加速了硬化,，從而可以建造更高、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu),。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在澳大利亞政府創(chuàng)新連接基金的資助下,，將其研究擴(kuò)展到 3D 打印房屋、再生材料和隔音墻,。