當 3D 打印遇上 “自然靈感”：看材料如何化身 “抗裂小能手”

來源：EFL生物3D打印與生物制造

當前工程材料面臨力學性能局限，如現(xiàn)有材料在抗裂性與損傷容限方面不足，而自然界中如鮑魚殼的“磚泥結構”、竹子的梯度血管束等生物系統(tǒng)展現(xiàn)出優(yōu)異的 toughening 機制，為材料設計提供了靈感。同時，3D 打印技術的興起為構建復雜仿生結構提供了可能，但如何利用該技術將自然結構的優(yōu)勢與復合材料結合，解決傳統(tǒng)材料的問題仍需探索，且 3D 打印中自發(fā)形成的 void 缺陷對性能的影響也需合理調控。   

來自英國牛津大學的 Thomas James Marrow 教授、韓國科學技術研究院的 Jun Yeon Hwang 教授以及韓國科學技術院的 Soon Hyung Hong 教授團隊合作，受自然啟發(fā)，設計了一種 hierarchical 復合結構。該結構通過 3D 打印技術構建由具有特定拓撲紋理的顆粒狀 building blocks 組成的分級組裝體，利用工藝誘導的界面 void 提供優(yōu)先裂紋路徑，結合填充的定向纖維束增強局部各向異性剛度，調控局部/全局取向、堆疊序列、特征尺寸和梯度組裝等因素對裂紋容限行為的影響。相關工作以“On the crack resistance and damage tolerance of 3D-printed nature-inspired hierarchical composite architecture”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

研究內容
1. 仿生分級復合結構示意圖及顆粒內外開裂行為，通過X射線顯微鏡三維成像、拉伸測試和斷裂韌性分析等方法，研究了3D打印仿生分級復合結構的微觀構造與開裂機制。結果表明，該結構通過顆粒狀building blocks的定向纖維束模擬晶體取向，利用界面void引導裂紋路徑，實現(xiàn)了裂紋偏轉和能量耗散，其斷裂能較單一堆疊序列提升2.4倍。      

圖1. 仿生分級復合結構的顆粒取向、堆疊序列與開裂行為示意圖。   

2. 局部/全局取向對裂紋擴展的影響，通過設計不同取向的六邊形顆粒單元（30°、90°、150°）并構建各向異性/各向同性結構，結合X射線斷層掃描和載荷-位移曲線分析，研究了取向分布對裂紋路徑和斷裂能的調控作用。結果表明，交替取向的各向同性結構可迫使裂紋多次偏轉，裂紋表面積較單向結構增加1.3倍，斷裂能顯著提升。      

圖2. 局部與全局取向設計對裂紋擴展路徑及斷裂性能的影響。   

3. 堆疊序列對斷裂韌性的改善，通過對比ααα單一堆疊與αβγ交替堆疊序列，利用R曲線測試和三維裂紋形態(tài)分析，研究了堆疊方式對裂紋抑制效果的影響。結果表明，αβγ交替堆疊可誘導裂紋沿“arrester方向”擴展，形成復雜分支裂紋，斷裂能較ααα堆疊提升2.4倍，且表現(xiàn)出穩(wěn)定的裂紋擴展行為。      

圖3. 交替堆疊序列對裂紋擴展方向及斷裂能的調控作用。   

4. 裂紋向分流器和避雷器方向擴展的對比，通過3D斷層掃描和裂紋表面擴展分析，研究了ααα單一堆疊與αβγ交替堆疊序列中裂紋擴展模式的差異。結果表明，ααα堆疊中裂紋沿單一能量最優(yōu)路徑直線擴展，而αβγ堆疊因各層顆粒取向錯位，迫使裂紋逐層改變方向，形成“階梯狀”擴展路徑，伴隨剪切裂紋開啟和多次橋接，顯著增加能量耗散。      

圖4. 裂紋向分流器（ααα堆疊）和避雷器（αβγ堆疊）方向擴展的三維形態(tài)及能量耗散差異。   

5. 顆粒尺寸對斷裂行為的影響，通過設計大（L）、中（M）、小（S）三種六邊形顆粒尺寸，結合顯微觀察和力學測試，研究了顆粒尺度與裂紋偏轉、橋接機制的關系。結果表明，大顆粒促進裂紋偏轉耗能，小顆粒通過密集界面增強裂紋橋接，其中中顆粒結構初始斷裂韌性最高，而小顆粒結構表現(xiàn)出持續(xù)的能量耗散能力。      

圖5. 顆粒尺寸梯度對裂紋擴展路徑及斷裂韌性的影響。   

6. 梯度微結構的剛度與韌性協(xié)同優(yōu)化，通過構建粗-細（L→S）和細-粗（S→L）顆粒梯度結構，利用拉伸模量測試和J積分計算，研究了梯度分布對材料綜合力學性能的影響。結果表明，L→S梯度結構通過粗顆粒區(qū)裂紋偏轉、細顆粒區(qū)裂紋橋接實現(xiàn)“J型”斷裂韌性曲線，而S→L梯度結構呈現(xiàn)“Γ型”曲線，兩者均實現(xiàn)了剛度與韌性的協(xié)同提升。      

圖6. 顆粒梯度結構的力學性能與斷裂韌性協(xié)同優(yōu)化。

研究結論
本研究開發(fā)了一種受自然啟發(fā)的3D打印分級復合結構，其通過顆粒狀單元的定向纖維束和界面空隙，實現(xiàn)了裂紋路徑調控與能量耗散。研究表明，交替堆疊序列（αβγ）可誘導裂紋沿“ arrester方向”擴展，使斷裂能較單一堆疊（ααα）提升2.4倍；顆粒尺寸梯度（粗-細或細-粗）可協(xié)同提升材料剛度與韌性，其中粗顆粒區(qū)促進裂紋偏轉，細顆粒區(qū)增強裂紋橋接。工藝誘導的界面空隙并非缺陷，而是作為優(yōu)先裂紋路徑引導裂紋分級擴展，結合纖維束的各向異性剛度，形成了類似天然多晶材料的抗裂機制。該結構設計為復合材料的抗裂性與損傷容限優(yōu)化提供了新思路，有望應用于航空航天、建筑等需要高韌性結構的領域。

文章來源：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53850-w