隨著低空經(jīng)濟(jì)與3D打印技術(shù)的融合發(fā)展，聚合物基復(fù)合材料的抗沖擊性能優(yōu)化成為關(guān)鍵課題。常用聚合物基體材料因延展性不足，難以滿足飛行器零部件對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的需求。本期谷·專欄所分享的研究論文中，同濟(jì)大學(xué)李巖教授團(tuán)隊(duì)提出了一種通用增韌和能量耗散策略，顯著增強(qiáng)3D打印聚合物基復(fù)合材料在抗沖擊性、延展性和強(qiáng)度-延展性平衡方面的表現(xiàn)，使其特別適合沖擊防護(hù)應(yīng)用。該策略為低空飛行器3D打印復(fù)合材料升級(jí)帶來了啟示。

“3D Science Valley 白皮書 圖文解析

1.研究背景

3D打印聚合物基復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)和可設(shè)計(jì)等優(yōu)勢，在航空航天和醫(yī)療器械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，常用基體材料如聚乳酸和環(huán)氧樹脂等可導(dǎo)致打印構(gòu)件斷裂延伸率低、動(dòng)態(tài)載荷下易失效等問題。目前增韌與能量耗散方法包括柔性聚合物共混、引入剛性顆粒構(gòu)建多相體系，以及接枝或共聚改性，但這些方法通常存在工藝復(fù)雜、兼容性差、增韌效果有限等問題。因此，開發(fā)一種具有普適性、簡單性、顯著性的增韌與能量耗散策略具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

2.文章概述

近日，同濟(jì)大學(xué)李巖教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于B-O動(dòng)態(tài)配位鍵的通用3D打印聚合物基復(fù)合材料增韌與能量耗散策略。研究團(tuán)隊(duì)將剪切變硬膠（SSG）引入聚乳酸（PLA）基體中，制備出高韌性智能抗沖擊復(fù)合材料（PLA/SSG），在拉伸強(qiáng)度保持不變的前提下，實(shí)現(xiàn)斷裂延伸率提升40倍，沖擊吸能提高330%。進(jìn)一步研究表明，復(fù)合材料的高延展性源于SSG誘導(dǎo)PLA基體的多重開裂與局部塑性屈服，而顯著提升的沖擊性能則歸因于SSG中B-O鍵引發(fā)的“軟-硬”相變吸能機(jī)制。該策略適用于多數(shù)脆性聚合物基體，為3D打印抗沖擊復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)化提供了新思路。

3.圖文導(dǎo)讀

圖1 一種通用的復(fù)合材料增韌和能量耗散策略。（a）將B-O動(dòng)態(tài)交聯(lián)聚合物作為二級(jí)填料引入脆性聚合物基體中，提高復(fù)合材料的韌性和沖擊能量吸收性能；（b）PLA/SSG的制備流程示意圖（SSG合成→熔融共混→3D打印成型）。

圖2 SSG及PLA/SSG的剪切剛化效應(yīng)和微結(jié)構(gòu)特征。（a-b）FTIR光譜；（c）SSG的流變曲線；（d）PLA/SSG的頻率掃描曲線；（e）剪切剛化效應(yīng)誘導(dǎo)的?E'/E'與SSG含量的正相關(guān)響應(yīng)；（f）熱重曲線；（g）PLA/SSG在冷凍斷裂后的橫截面形貌（i. PLA/SSG (100/0), ii. PLA/SSG (98/2), iii. PLA/SSG (70/30)），具有典型的“海島”結(jié)構(gòu)。

圖3 低應(yīng)變率下的強(qiáng)度-延展性平衡。（a）準(zhǔn)靜態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)；（b）不同類型PLA/SSG的斷裂延伸率和極限拉伸強(qiáng)度，當(dāng)SSG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，PLA/SSG具有40倍的延展性提升；（c）斷裂頸縮演化過程；（d）強(qiáng)度-延展性的平衡，44.8%的極限強(qiáng)度提升與52.3%的延展性提高。

圖4 高應(yīng)變率下的抗沖擊性能。（a）不同類型PLA/SSG的沖擊彎曲載荷-位移曲線；（b）沖擊峰值載荷與極限位移曲線；（c）沖擊能量吸收對(duì)比；（d）斷裂形貌對(duì)比（PLA脆性斷裂i, iii；PLA/SSG韌性斷裂ii, iv）。

圖5 增韌與能量吸收機(jī)制。（a）低應(yīng)變率下PLA/SSG的增韌機(jī)制（多重銀紋與剪切屈服的協(xié)同）；（b）SSG分子鏈纏結(jié)與解纏結(jié)的應(yīng)變率響應(yīng)；（c）高應(yīng)變率下PLA/SSG的能量吸收機(jī)制（剪切硬化）；（d）SSG的jamming相圖。

圖6 基于PLA/SSG的抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能表征：(a) 原位“離線”浸漬工藝及連續(xù)纖維3D打印流程示意圖；(b) 亞麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗沖擊性能測試；(c) 3D打印結(jié)構(gòu)實(shí)物展示。

4、 結(jié)論：

團(tuán)隊(duì)提出一種受B-O動(dòng)態(tài)配位鍵啟發(fā)的3D打印聚合物基復(fù)合材料通用增韌與能量吸收策略。通過將剪切變硬材料（SSG）封裝于聚乳酸（PLA）基體中，制備出具有自適應(yīng)力學(xué)響應(yīng)的智能抗沖擊復(fù)合材料（PLA/SSG），其沖擊韌性提升330%，延展性提高40倍，強(qiáng)韌平衡顯著改善。該材料兼具優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和加工性，支持復(fù)雜結(jié)構(gòu)的定制化成型，制備的PLA/SSG基亞麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料較傳統(tǒng)復(fù)合材料能量耗散提升20.6%。該策略為高性能3D打印抗沖擊復(fù)合材料的開發(fā)提供了新途徑。

該項(xiàng)目研究獲得國家自然科學(xué)基金（No. 12132011）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（No. 2022YFB000）以及智元研究院（No. ZYL2024009a）的資助，謹(jǐn)此感謝。

論文信息：

A Universal Toughening and Energy-Dissipating Strategy for Impact-Resistant 3D-Printed Composites

Xiang Hong, Peng Wang,* Yu Ma, Weidong Yang, Junming Zhang, Zhongsen Zhang, and Yan Li*

Advanced Science

DOI:10.1002/advs.202501450

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