当 3D 打印遇上 “自然灵感”：看材料如何化身 “抗裂小能手”

来源：EFL生物3D打印与生物制造

当前工程材料面临力学性能局限，如现有材料在抗裂性与损伤容限方面不足，而自然界中如鲍鱼壳的“砖泥结构”、竹子的梯度血管束等生物系统展现出优异的 toughening 机制，为材料设计提供了灵感。同时，3D 打印技术的兴起为构建复杂仿生结构提供了可能，但如何利用该技术将自然结构的优势与复合材料结合，解决传统材料的问题仍需探索，且 3D 打印中自发形成的 void 缺陷对性能的影响也需合理调控。   

来自英国牛津大学的 Thomas James Marrow 教授、韩国科学技术研究院的 Jun Yeon Hwang 教授以及韩国科学技术院的 Soon Hyung Hong 教授团队合作，受自然启发，设计了一种 hierarchical 复合结构。该结构通过 3D 打印技术构建由具有特定拓扑纹理的颗粒状 building blocks 组成的分级组装体，利用工艺诱导的界面 void 提供优先裂纹路径，结合填充的定向纤维束增强局部各向异性刚度，调控局部/全局取向、堆叠序列、特征尺寸和梯度组装等因素对裂纹容限行为的影响。相关工作以“On the crack resistance and damage tolerance of 3D-printed nature-inspired hierarchical composite architecture”为题发表在《Nature Communications》上。

研究内容
1. 仿生分级复合结构示意图及颗粒内外开裂行为，通过X射线显微镜三维成像、拉伸测试和断裂韧性分析等方法，研究了3D打印仿生分级复合结构的微观构造与开裂机制。结果表明，该结构通过颗粒状building blocks的定向纤维束模拟晶体取向，利用界面void引导裂纹路径，实现了裂纹偏转和能量耗散，其断裂能较单一堆叠序列提升2.4倍。      

图1. 仿生分级复合结构的颗粒取向、堆叠序列与开裂行为示意图。   

2. 局部/全局取向对裂纹扩展的影响，通过设计不同取向的六边形颗粒单元（30°、90°、150°）并构建各向异性/各向同性结构，结合X射线断层扫描和载荷-位移曲线分析，研究了取向分布对裂纹路径和断裂能的调控作用。结果表明，交替取向的各向同性结构可迫使裂纹多次偏转，裂纹表面积较单向结构增加1.3倍，断裂能显著提升。      

图2. 局部与全局取向设计对裂纹扩展路径及断裂性能的影响。   

3. 堆叠序列对断裂韧性的改善，通过对比ααα单一堆叠与αβγ交替堆叠序列，利用R曲线测试和三维裂纹形态分析，研究了堆叠方式对裂纹抑制效果的影响。结果表明，αβγ交替堆叠可诱导裂纹沿“arrester方向”扩展，形成复杂分支裂纹，断裂能较ααα堆叠提升2.4倍，且表现出稳定的裂纹扩展行为。      

图3. 交替堆叠序列对裂纹扩展方向及断裂能的调控作用。   

4. 裂纹向分流器和避雷器方向扩展的对比，通过3D断层扫描和裂纹表面扩展分析，研究了ααα单一堆叠与αβγ交替堆叠序列中裂纹扩展模式的差异。结果表明，ααα堆叠中裂纹沿单一能量最优路径直线扩展，而αβγ堆叠因各层颗粒取向错位，迫使裂纹逐层改变方向，形成“阶梯状”扩展路径，伴随剪切裂纹开启和多次桥接，显著增加能量耗散。      

图4. 裂纹向分流器（ααα堆叠）和避雷器（αβγ堆叠）方向扩展的三维形态及能量耗散差异。   

5. 颗粒尺寸对断裂行为的影响，通过设计大（L）、中（M）、小（S）三种六边形颗粒尺寸，结合显微观察和力学测试，研究了颗粒尺度与裂纹偏转、桥接机制的关系。结果表明，大颗粒促进裂纹偏转耗能，小颗粒通过密集界面增强裂纹桥接，其中中颗粒结构初始断裂韧性最高，而小颗粒结构表现出持续的能量耗散能力。      

图5. 颗粒尺寸梯度对裂纹扩展路径及断裂韧性的影响。   

6. 梯度微结构的刚度与韧性协同优化，通过构建粗-细（L→S）和细-粗（S→L）颗粒梯度结构，利用拉伸模量测试和J积分计算，研究了梯度分布对材料综合力学性能的影响。结果表明，L→S梯度结构通过粗颗粒区裂纹偏转、细颗粒区裂纹桥接实现“J型”断裂韧性曲线，而S→L梯度结构呈现“Γ型”曲线，两者均实现了刚度与韧性的协同提升。      

图6. 颗粒梯度结构的力学性能与断裂韧性协同优化。

研究结论
本研究开发了一种受自然启发的3D打印分级复合结构，其通过颗粒状单元的定向纤维束和界面空隙，实现了裂纹路径调控与能量耗散。研究表明，交替堆叠序列（αβγ）可诱导裂纹沿“ arrester方向”扩展，使断裂能较单一堆叠（ααα）提升2.4倍；颗粒尺寸梯度（粗-细或细-粗）可协同提升材料刚度与韧性，其中粗颗粒区促进裂纹偏转，细颗粒区增强裂纹桥接。工艺诱导的界面空隙并非缺陷，而是作为优先裂纹路径引导裂纹分级扩展，结合纤维束的各向异性刚度，形成了类似天然多晶材料的抗裂机制。该结构设计为复合材料的抗裂性与损伤容限优化提供了新思路，有望应用于航空航天、建筑等需要高韧性结构的领域。

文章来源：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53850-w