研究人員利用多材料噴墨打印技術(shù)開發(fā)具有定制界面的珍珠層復(fù)合材料

2025年6月24日，南極熊獲悉，樸茨茅斯大學(xué)、格林威治大學(xué)和倫敦城市圣喬治大學(xué)的研究人員成功利用基于多材料噴墨的3D打印工藝，將硬質(zhì)和軟質(zhì)聚合物與精確的結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合，成功打印出仿珍珠母復(fù)合材料。

相關(guān)研究以題為“Multi-material 3D printedcomposites inspired by nacre: a hard/soft mechanical interplay”的發(fā)表在《科學(xué)報告》上，探討了材料界面質(zhì)量和打印方向如何影響仿珍珠母復(fù)合材料的機(jī)械性能。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41598-025-91080-2

研究團(tuán)隊采用生成式設(shè)計工作流程復(fù)制了珍珠層特有的實(shí)體結(jié)構(gòu)，即六邊形的剛性聚合物片層與柔順的軟相交替排列。通過改變片層的長寬比和打印方向，他們展示了平行或垂直于構(gòu)建平面的界面如何影響斷裂機(jī)制，例如拉拔、裂紋偏轉(zhuǎn)和脆性斷裂。這些結(jié)果為如何復(fù)制生物復(fù)合材料中觀察到的增韌機(jī)制提供了新的見解。

多材料仿生設(shè)計

研究人員使用Grasshopper和Rhino軟件創(chuàng)建了珍珠層狀復(fù)合材料的參數(shù)化模型，片狀長寬比為 2 至 9。這些模型使用 ProJet 5500X 3D噴墨 3D 打印機(jī)打印，在一次打印中沉積了硬質(zhì)白色 (VisiJet CR-WT) 和軟質(zhì)黑色 (VisiJet CE-BK) 光聚合物。這些復(fù)合材料以平面內(nèi) (XY) 和平面外 (XZ) 方向打印，使團(tuán)隊能夠評估相對于打印方向的界面取向如何影響機(jī)械行為。

每個樣品包含一個300μm厚的軟質(zhì)中間層，控制層片尺寸，使增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)在約53%至65%之間。所有打印均采用13μm的層厚和高分辨率打印設(shè)置（750×750×2000 DPI），以確保尺寸精度。

△采用六邊形薄片以磚塊和砂漿結(jié)構(gòu)排列，生成設(shè)計出仿珍珠層復(fù)合材料。圖片來自 Curto 等人，《科學(xué)報告》

界面方向控制機(jī)械行為

拉伸試驗(yàn)表明，非平面打印復(fù)合材料在增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)方面表現(xiàn)出比平面內(nèi)復(fù)合材料更高的剛度和強(qiáng)度。這種改進(jìn)歸因于垂直（XZ）方向更強(qiáng)的界面結(jié)合，其中軟相和硬相在每層形成過程中沉積在一起。這種增強(qiáng)的剪應(yīng)力傳遞通過層狀結(jié)構(gòu)支持脆性破壞，而不是分層。

相比之下，平面打印復(fù)合材料表現(xiàn)出血小板拉出和裂紋偏轉(zhuǎn)，這與珍珠層狀能量耗散機(jī)制一致。然而，除血小板尺寸較小的樣品外，它們的沖擊強(qiáng)度普遍較低，這表明由于逐層鍵合局限于水平（XY）平面，導(dǎo)致界面強(qiáng)度較弱。

采用原位X射線計算機(jī)斷層掃描（XCT）技術(shù)對內(nèi)部損傷進(jìn)行可視化。XCT證實(shí)，非平面復(fù)合材料能夠限制裂紋的張開，而平面內(nèi)樣品在機(jī)械載荷下表現(xiàn)出更嚴(yán)重的分層和裂紋擴(kuò)展。

△珍珠層仿生復(fù)合材料斷裂行為的顯微鏡觀察。平面內(nèi)樣品顯示片狀體拉出，而非平面樣品則顯示清晰的斷裂表面。圖片來自 Curto 等人，《科學(xué)報告》

對堅韌、功能性的仿生材料的影響

研究表明，僅憑打印方向就能改變仿珍珠層復(fù)合材料的延展性和脆性機(jī)械性能。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化了界面方向性在控制機(jī)械性能方面的作用，而這一方面在之前的仿珍珠層增材制造研究中常常被忽視。

該方法還驗(yàn)證了生成式設(shè)計工作流程與多材料3D打印相結(jié)合，是一種復(fù)制具有可定制機(jī)械性能的珍珠層狀結(jié)構(gòu)的可行方法。作者指出，未來的設(shè)計可以探索更復(fù)雜的界面圖案，例如礦物橋或燕尾榫接頭，以進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)械響應(yīng)。

這項研究具有在抗沖擊系統(tǒng)、防護(hù)結(jié)構(gòu)和功能分級組件中的潛在應(yīng)用，展示了將生物復(fù)合策略轉(zhuǎn)化為數(shù)字化制造工程材料的可擴(kuò)展方法。

可編程架構(gòu)在增材制造中模擬自然韌性

這項研究是在越來越多關(guān)于生物學(xué)原理如何指導(dǎo)增材制造機(jī)械設(shè)計的研究的基礎(chǔ)上開展的。最近的研究表明，在超材料晶格中引入受控的無序性可以增強(qiáng)抗沖擊性，而FDM中的欠擠壓技術(shù)已被探索作為模擬仿生機(jī)器人關(guān)節(jié)靈活性的一種方法。其他方法，例如用于安全和建筑的超剛性晶格結(jié)構(gòu)，凸顯了微觀結(jié)構(gòu)控制在調(diào)節(jié)能量吸收和失效行為方面的重要性。

通過整合生成設(shè)計、多材料打印和珍珠層狀結(jié)構(gòu)，本研究擴(kuò)展了這些努力，為受天然裝甲系統(tǒng)啟發(fā)的分層增韌復(fù)合材料提供了一種數(shù)字可編程路線。