研究人员利用多材料喷墨打印技术开发具有定制界面的珍珠层复合材料

2025年6月24日，南极熊获悉，朴茨茅斯大学、格林威治大学和伦敦城市圣乔治大学的研究人员成功利用基于多材料喷墨的3D打印工艺，将硬质和软质聚合物与精确的结构控制相结合，成功打印出仿珍珠母复合材料。

相关研究以题为“Multi-material 3D printedcomposites inspired by nacre: a hard/soft mechanical interplay”的发表在《科学报告》上，探讨了材料界面质量和打印方向如何影响仿珍珠母复合材料的机械性能。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41598-025-91080-2

研究团队采用生成式设计工作流程复制了珍珠层特有的实体结构，即六边形的刚性聚合物片层与柔顺的软相交替排列。通过改变片层的长宽比和打印方向，他们展示了平行或垂直于构建平面的界面如何影响断裂机制，例如拉拔、裂纹偏转和脆性断裂。这些结果为如何复制生物复合材料中观察到的增韧机制提供了新的见解。

多材料仿生设计

研究人员使用Grasshopper和Rhino软件创建了珍珠层状复合材料的参数化模型，片状长宽比为 2 至 9。这些模型使用 ProJet 5500X 3D喷墨 3D 打印机打印，在一次打印中沉积了硬质白色 (VisiJet CR-WT) 和软质黑色 (VisiJet CE-BK) 光聚合物。这些复合材料以平面内 (XY) 和平面外 (XZ) 方向打印，使团队能够评估相对于打印方向的界面取向如何影响机械行为。

每个样品包含一个300μm厚的软质中间层，控制层片尺寸，使增强体体积分数在约53%至65%之间。所有打印均采用13μm的层厚和高分辨率打印设置（750×750×2000 DPI），以确保尺寸精度。

△采用六边形薄片以砖块和砂浆结构排列，生成设计出仿珍珠层复合材料。图片来自 Curto 等人，《科学报告》

界面方向控制机械行为

拉伸试验表明，非平面打印复合材料在增强体体积分数方面表现出比平面内复合材料更高的刚度和强度。这种改进归因于垂直（XZ）方向更强的界面结合，其中软相和硬相在每层形成过程中沉积在一起。这种增强的剪应力传递通过层状结构支持脆性破坏，而不是分层。

相比之下，平面打印复合材料表现出血小板拉出和裂纹偏转，这与珍珠层状能量耗散机制一致。然而，除血小板尺寸较小的样品外，它们的冲击强度普遍较低，这表明由于逐层键合局限于水平（XY）平面，导致界面强度较弱。

采用原位X射线计算机断层扫描（XCT）技术对内部损伤进行可视化。XCT证实，非平面复合材料能够限制裂纹的张开，而平面内样品在机械载荷下表现出更严重的分层和裂纹扩展。

△珍珠层仿生复合材料断裂行为的显微镜观察。平面内样品显示片状体拉出，而非平面样品则显示清晰的断裂表面。图片来自 Curto 等人，《科学报告》

对坚韧、功能性的仿生材料的影响

研究表明，仅凭打印方向就能改变仿珍珠层复合材料的延展性和脆性机械性能。这些发现强化了界面方向性在控制机械性能方面的作用，而这一方面在之前的仿珍珠层增材制造研究中常常被忽视。

该方法还验证了生成式设计工作流程与多材料3D打印相结合，是一种复制具有可定制机械性能的珍珠层状结构的可行方法。作者指出，未来的设计可以探索更复杂的界面图案，例如矿物桥或燕尾榫接头，以进一步增强机械响应。

这项研究具有在抗冲击系统、防护结构和功能分级组件中的潜在应用，展示了将生物复合策略转化为数字化制造工程材料的可扩展方法。

可编程架构在增材制造中模拟自然韧性

这项研究是在越来越多关于生物学原理如何指导增材制造机械设计的研究的基础上开展的。最近的研究表明，在超材料晶格中引入受控的无序性可以增强抗冲击性，而FDM中的欠挤压技术已被探索作为模拟仿生机器人关节灵活性的一种方法。其他方法，例如用于安全和建筑的超刚性晶格结构，凸显了微观结构控制在调节能量吸收和失效行为方面的重要性。

通过整合生成设计、多材料打印和珍珠层状结构，本研究扩展了这些努力，为受天然装甲系统启发的分层增韧复合材料提供了一种数字可编程路线。