阿聯(lián)酋哈利法科學(xué)技術(shù)大學(xué)航空航天工程系、阿布扎比石墨烯與二維材料研究與創(chuàng)新中心（RIC-2D）、美國(guó)印第安納州立大學(xué)機(jī)械工程技術(shù)系、阿聯(lián)酋哈利法科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程系、英國(guó)曼徹斯特大學(xué)材料系的科研人員綜述報(bào)道了TPMS基互穿相復(fù)合材料研究進(jìn)展。相關(guān)論文以“Multifunctional TPMS-based interpenetrating phase composites: A comprehensive review of structure, properties, piezoelectricity and applications”為題發(fā)表在《Composites Part C: Open Access》上。

【文章亮點(diǎn)】

? 本綜述闡明了具有優(yōu)異熱-電-機(jī)械性能的互穿相復(fù)合材料（IPCs）的重要意義

? 研究聚焦3D打印復(fù)合材料中的三周期極小曲面（TPMS）與晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

? 系統(tǒng)評(píng)述IPCs的疲勞、斷裂及能量吸收等綜合性能

? 重點(diǎn)探討智能互穿壓電相復(fù)合材料（IP2Cs）的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

? 剖析結(jié)構(gòu)化IPCs的工業(yè)應(yīng)用與研究空白

從航空航天到汽車(chē)、軍事、機(jī)械、電信和電子等眾多行業(yè)，材料在設(shè)計(jì)和制造結(jié)構(gòu)和部件方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。多功能、輕量化、多相復(fù)合材料作為一種變革性的材料已經(jīng)嶄露頭角，為現(xiàn)代工程開(kāi)辟了新的視野。因此，復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和組成已經(jīng)發(fā)展到提高整體結(jié)構(gòu)的完整性和性能。憑借卓越的電-熱-機(jī)械性能，互穿相復(fù)合材料（IPCs）在各工業(yè)領(lǐng)域的需求日益增長(zhǎng)。IPCs通過(guò)金屬、陶瓷和聚合物相的相互滲透，兼具強(qiáng)度、剛度和韌性的平衡組合，具備優(yōu)異的熱學(xué)特性、耐磨性以及微觀結(jié)構(gòu)和加工路線(xiàn)的靈活性。

“3D Science Valley 白皮書(shū) 圖文解析

本綜述深入探討了多功能增強(qiáng)相在3D打印復(fù)合材料中的集成應(yīng)用，重點(diǎn)分析兩大核心主題：通過(guò)TPMS結(jié)構(gòu)協(xié)同增強(qiáng)其他相性能的IPCs，以及相比傳統(tǒng)材料具有特殊優(yōu)勢(shì)的互穿壓電相復(fù)合材料（IP2Cs）。研究團(tuán)隊(duì)匯編了IPCs的有效性能參數(shù)、機(jī)械性能、疲勞斷裂行為、能量吸收能力和耦合機(jī)電特性等全面數(shù)據(jù)，并著重介紹了結(jié)構(gòu)化IPCs的工業(yè)應(yīng)用實(shí)例。通過(guò)對(duì)當(dāng)前研究的批判性分析，本文不僅指出技術(shù)空白與挑戰(zhàn)，更揭示了TPMS多孔結(jié)構(gòu)在3D打印動(dòng)態(tài)發(fā)展中的創(chuàng)新潛力。

圖1.IPCs的多樣化應(yīng)用場(chǎng)景

圖2.(a)基于MSLattice軟件生成的表面TPMS晶格結(jié)構(gòu)；(b)通過(guò)有限元技術(shù)制備TPMS基IPCs的工藝流程

圖3.(A)采用混合增材制造（SLM+SPS）制備WC-Co粉末與Ti晶格IPC的示意圖；(B)完整混合制造流程；(C)熔模鑄造階段前后實(shí)施的方法

圖4.空心晶格與復(fù)合體系的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

圖5.(A)G-IPCs與25%相對(duì)密度螺旋金屬多孔支架的壓縮模擬，展示均勻塑性變形和漸進(jìn)層狀斷裂；(B)三種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料（磚砌/布利岡/交叉層狀）的斷裂韌性樣本SEM與CT三維重建；(C)不同結(jié)構(gòu)Mg-Ti復(fù)合材料的力學(xué)性能對(duì)比。

圖6.制造工藝與電暈極化裝置示意圖

圖7.(a)P/G/N型TPMS結(jié)構(gòu)及其3×3×3單元；(b)電勢(shì)分布；(c)von Mises應(yīng)力；(d)應(yīng)變能在不同IP2C結(jié)構(gòu)表面的分布

圖8.IPCs在實(shí)際工程中的應(yīng)用案例

圖9.壓電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能特征

圖10.本文所述TPMS基IPCs相比傳統(tǒng)復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)示意圖

互穿相復(fù)合材料（IPCs）通過(guò)兩相三維拓?fù)涔策B續(xù)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了超越傳統(tǒng)復(fù)合材料的電-熱-機(jī)械協(xié)同性能和載荷傳遞能力。本文系統(tǒng)梳理了IPCs在有效性能參數(shù)（彈性模量/熱導(dǎo)率/電學(xué)系數(shù)）、靜動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)、疲勞斷裂、能量吸收及壓電特性等方面的研究進(jìn)展，重點(diǎn)匯總了TPMS基IPCs的AM制備工藝與建模方法。相較于既往綜述，首次詳細(xì)闡釋了IP2Cs的研究數(shù)據(jù)與能量吸收機(jī)制。

當(dāng)前對(duì)結(jié)構(gòu)化材料創(chuàng)新構(gòu)型的力學(xué)表征研究正推動(dòng)其商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程，本文據(jù)此提出了未來(lái)重點(diǎn)研究方向。通過(guò)AM技術(shù)的設(shè)計(jì)自由度與精度優(yōu)勢(shì)，IPCs性能邊界將持續(xù)拓展——特別是AM技術(shù)、互穿幾何與壓電材料的融合，為非常規(guī)能量收集裝置開(kāi)辟了新途徑，預(yù)示著可持續(xù)發(fā)電技術(shù)與日常應(yīng)用的深度融合前景。

本綜述為探索新型材料-幾何組合奠定了理論基礎(chǔ)，具有革命性性能的IPCs有望重塑多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。文中提出的策略框架將加速TPMS基IPCs的性能優(yōu)化與成本控制進(jìn)程，推動(dòng)材料科學(xué)與工程的范式變革。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2025.100596

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