近年來，仿生設(shè)計(jì)在復(fù)合材料領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，尤其是具有“磚-泥”結(jié)構(gòu)的珍珠層材料，因其優(yōu)異的強(qiáng)韌性組合成為研究熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)制備方法如組裝礦化法、溶膠-凝膠-薄膜轉(zhuǎn)化法和冷凍鑄造法等工藝復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的精確定制。此外，現(xiàn)有研究對(duì)3D打印珍珠層結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵幾何參數(shù)（如重疊比和縱橫比）的優(yōu)化及其對(duì)力學(xué)性能的影響尚未系統(tǒng)探討。

為解決以上問題，北京理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在Composites Science and Technology發(fā)表了相關(guān)研究成果。該研究通過3D打印技術(shù)制備了不同重疊比（α）和縱橫比（ρ）的仿生珍珠層結(jié)構(gòu)，結(jié)合拉伸實(shí)驗(yàn)、數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)和理論模型，系統(tǒng)分析了其力學(xué)行為與斷裂韌化機(jī)制。論文標(biāo)題為”O(jiān)ptimization of tensile mechanical properties and fracture toughening mechanism of 3D printed biomimetic nacre-like structures”。

研究團(tuán)隊(duì)采用光固化3D打印技術(shù)，以Vero剛性聚合物作為硬相（磚結(jié)構(gòu)）、Agilus30柔性聚合物作為軟相（泥結(jié)構(gòu)），成功制備了系列仿珍珠層結(jié)構(gòu)。通過拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)這一非接觸式光學(xué)測量技術(shù)，文章精細(xì)捕捉并分析了結(jié)構(gòu)在載荷下的全場變形與損傷演化過程。理論分析方面，文章引入了基于剪切滯后的應(yīng)變梯度理論模型，為性能預(yù)測提供了堅(jiān)實(shí)框架。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了重疊比和縱橫比的核心作用。當(dāng)重疊比從0.1增加至0.5時(shí)，結(jié)構(gòu)的斷裂應(yīng)變從約3.45%顯著提升至23.51%，斷裂能量也從約10 N/mm大幅增加至43.45 N/mm，表明重疊比的增大有效提升了材料的韌性和能量吸收能力?？v橫比的影響則呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，在ρ=4時(shí)達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)斷裂應(yīng)變和斷裂能量均達(dá)到峰值；與此同時(shí)，材料的強(qiáng)度指標(biāo)隨縱橫比增大而持續(xù)提升，剪切滯后硬化強(qiáng)度從ρ=2時(shí)的約3.5 MPa增至ρ=16時(shí)的6.26 MPa，不穩(wěn)定斷裂強(qiáng)度從約5 MPa增至10.03 MPa。

斷裂形貌分析進(jìn)一步闡明了增韌機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)重疊比為0.5且縱橫比接近最優(yōu)值ρ≈3.64時(shí)，裂紋擴(kuò)展路徑表現(xiàn)出更強(qiáng)的隨機(jī)性，微裂紋區(qū)域面積更大，從而通過裂紋偏轉(zhuǎn)和微裂紋增韌等機(jī)制顯著提高了斷裂能。

文章指出，重疊比和縱橫比是優(yōu)化仿珍珠層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。在最優(yōu)參數(shù)組合下，結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與韌性的最佳平衡。該研究不僅為仿生復(fù)合材料的定制化設(shè)計(jì)提供了具體的理論依據(jù)和優(yōu)化方程，也展示了3D打印技術(shù)在制備復(fù)雜多尺度結(jié)構(gòu)方面的巨大潛力，對(duì)航空航天、生物醫(yī)學(xué)和防護(hù)裝備等領(lǐng)域的高性能材料開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。

圖1 珍珠層結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)示意圖  

圖2 DIC測試系統(tǒng) 

圖3 不同重疊比下珍珠層結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 重疊比為0.3時(shí)珍珠層結(jié)構(gòu)的損傷演化過程

圖5 重疊比為0.5時(shí)珍珠層結(jié)構(gòu)的損傷演化過程

圖6 仿珍珠層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能隨重疊比的變化

圖7 不同重疊比下珍珠層結(jié)構(gòu)的斷裂形貌與斷裂模式  

圖8 縱橫比為2時(shí)珍珠層結(jié)構(gòu)的損傷演化過程 

圖9 珍珠層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能隨縱橫比的變化

圖10 不同縱橫比下珍珠層結(jié)構(gòu)的斷裂形貌與斷裂模式

原始文獻(xiàn): 

Qiu, T., Guan, C., & Liang, L. (2025). Optimization of tensile mechanical properties and fracture toughening mechanism of 3D printed biomimetic nacre-like structures. Composites Science and Technology, 270, 111304.