3D打印技術參考注意到，中國科學技術大學俞書宏院士團隊近日在抗沖擊性材料研究領域取得重要進展。研究人員通過模仿自然生物的布利岡結構，開發了一種新型的梯度結構材料，并利用FDM 3D打印技術，將硬質聚乳酸（PLA）和軟質熱塑性聚氨酯（TPU）以梯度比例混合，制造出了具有硬質表面層和柔性底層的復雜纖維結構。實驗和有限元模擬結果表明，新型結構具有高抗沖擊性能。

研究背景

隨著現代工業的發展，用于防護應用的結構材料（如裝甲）越來越多地暴露在復雜的環境中，包括各種速度下的沖擊。過去幾十年來，為提高抗沖擊性能，提出了一些工程設計方案，包括層壓板結構、蜂窩結構和夾層結構，但它們在一定程度上受到層間開層、質量過重以及強度-韌性不平衡等不良情況的限制。

自然生物的盔甲能有效抵御捕食者的攻擊。盡管生物盔甲看起來很單薄，但結構復雜，從而具有優異的防護性能。深入了解生物盔甲的結構-性能關系可能為防護材料的開發提供有價值的見解。魚鱗作為魚類最外層的保護組織，需要具備足夠的抗沖擊和抗穿刺能力來抵御外界侵襲。大多數魚鱗具有高度礦化的外層和略微礦化的內層。外層具有較高的剛性，可以直接抵抗穿透，而內層則專門用于減輕沖擊波和吸收殘余能量。除了成分分布的不均勻性外，由膠原納米原纖維（在內層內）構成的單布利岡（S-Bou）結構使魚鱗具有抗沖擊性。

DT-Bou-G在沖擊下的力學行為及增韌機制。DT-Bou-G具有堅硬的表面層以減少沖擊力，柔軟的底層以吸收能量。在沖擊下，它表現出耦合的斷裂路徑（包括裂紋扭曲和纖維阻塞）

與大多數魚鱗中的S-Bou結構不同，在腔棘魚鱗片中發現了一種雙重布利岡(DT-Bou) 結構。它具有正交的雙層結構單元，從而形成復合螺旋結構，近年來受到越來越多的關注。研究發現，雙重利岡結構相比單布利岡結構具有更優異的力學性能。

PLA+TPU

3D打印仿生梯度結構

中國科大的研究人員協同考慮了結構單元的組成和排列，將布利岡配體型結構家族擴展為S-Bou結構、DT-Bou結構、DT-Bou交替 (DT-Bou-A) 結構和DT-Bou梯度 (DT-Bou-G) 結構。此外，還構建了一個單向分層 (UL) 結構作為比較。結構材料通過多材料熔融沉積成型 (FDM) 3D打印技術制備，須系統調節硬聚乳酸 (PLA) 和軟熱塑性聚氨酯 (TPU)的比例。然后，通過單邊缺口彎曲試驗（0.5 mm/min）、低速擺錘沖擊試驗、落塔試驗（4.3m/s）和高速彈道試驗（~120 m/s）研究了這些結構的力學響應。

DT-Bou-G結構設計示意圖。DT-Bou由兩組正交的S-Bou組成，而DT-Bou-G是通過在DT-Bou中引入梯度組成變化而構建的

實驗結果表明，在低速加載下，DT-Bou與UL和S-Bou相比表現出增強的抗沖擊性能，但在高速加載下沒有明顯差異。而具有仿生梯度的雙重布利岡結構（DT-Bou-G）在多種加載速度（0.5毫米/分、2.1米/秒、4.3米/秒和120米/秒）下均具有優異的抗沖擊性能。有限元模擬進一步證明了力學結果并揭示了潛在的機制。DT-Bou-G結構將為設計能夠承受復雜工況的工程防護材料提供啟發。

3D打印的DT-Bou-G樣品

DT-Bou-G在~120m/s速度彈道測試

總的來說，該研究通過模仿腔棘魚鱗片的雙螺旋結構，并結合3D打印的梯度材料設計，成功構建出了雙重利岡結構。這一成果不僅揭示了生物防護結構在寬速度范圍內的抗沖擊機制，還為工程防護材料的設計提供了全新的思路。在航空航天領域，這種結構可用于制造抗撞擊的航天器外殼；在軍事領域，可應用于輕量化裝甲的設計。此外，3D打印技術所具備的快速成型和個性化定制能力，使得該結構在應對復雜工況時具有很強的適應性，有望推動防護材料向多功能化和智能化方向發展。

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