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合材料

2025年6月24日，南極熊獲悉，樸茨茅斯大學、格林威治大學和倫敦城市圣喬治大學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合材料的機械性能。

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

研究團隊采用生成式設(shè)計工作流程復制了珍珠層特有的實體結(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制，例如拉拔、裂紋偏轉(zhuǎn)和脆性斷裂。這些結(jié)果為如何復制生物復合材料中觀察到的增韌機制提供了新的見解。

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。這些復合材料以平面內(nèi) (XY) 和平面外 (XZ) 方向打印，使團隊能夠評估相對于打印方向的界面取向如何影響機械行為。

每個樣品包含一個300μm厚的軟質(zhì)中間層，控制層片尺寸，使增強體體積分數(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)計出仿珍珠層復合材料。圖片來自 Curto 等人，《科學報告》

界面方向控制機械行為

拉伸試驗表明，非平面打印復合材料在增強體體積分數(shù)方面表現(xiàn)出比平面內(nèi)復合材料更高的剛度和強度。這種改進歸因于垂直（XZ）方向更強的界面結(jié)合，其中軟相和硬相在每層形成過程中沉積在一起。這種增強的剪應力傳遞通過層狀結(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制一致。然而，除血小板尺寸較小的樣品外，它們的沖擊強度普遍較低，這表明由于逐層鍵合局限于水平（XY）平面，導致界面強度較弱。

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

△珍珠層仿生復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合材料的延展性和脆性機械性能。這些發(fā)現(xiàn)強化了界面方向性在控制機械性能方面的作用，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，是一種復制具有可定制機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)計可以探索更復雜的界面圖案，例如礦物橋或燕尾榫接頭，以進一步增強機械響應。

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

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)于生物學原理如何指導增材制造機械設(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)，本研究擴展了這些努力，為受天然裝甲系統(tǒng)啟發(fā)的分層增韌復合材料提供了一種數(shù)字可編程路線。