3D打印珍珠层状复合材料的抗冲击性能

供稿人：张亚园、田小永 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

多层仿生复合材料结构因其优异的力学性能而在防护领域得到广泛应用，其中，贝壳结构由于具有优异的抗冲击性能而成为最受欢迎的仿生生物之一。近日，韩国一研究团队利用3D打印的方式进行了贝壳仿生结构的设计，并通过实验和数值模拟的方法对尺寸参数和材料特性对结构的抗冲击性能的影响进行了综合研究。

贝壳珍珠层的刚性片层和柔性填充层的交错层叠排列方式一般称为“砖-泥”结构，这种特殊构型,这种排列方式类似于由Voronoi图生成的单元，因此，作者基于Voronoi图模拟珍珠层结构，并通过改变尺寸参数开发了五种不同的模型，如图2所示。以PLA为刚性六角形薄片层材料，TPU和PA两种材料分别作为柔性层间基体，利用双喷头3D打印机制备适用于落锤冲击的层合板结构，如图3所示。

图1. 贝壳结构：a）整体结构；b）典型横截面；c）内部微观结构SEM观察；d）贝壳层结构示意图

图2. 五种不同仿贝壳结构模型：a）初始模型α*Wg；b）1.5α*Wg；c）2α*Wg；d）α*1.5Wg；e）α*2Wg

通过对不同柔性材料种类进行对比可以看到，与纯PLA层合板结构相比，层间柔性材料的加入极大地提升了层合板的抗冲击韧性，且PLA-TPU珍珠层结构表现更强的能量吸收能力，具有更好的抗冲击性能。对不同尺寸参数的层合板结构进行冲击性能对比可以看到，随着刚性六边形薄片的尺寸增大，即PLA的体积分数的增大，层合板吸收的冲击能量减少，结构呈现较大的损伤破坏形式，且层间柔性基体的增多提高了结构的抗冲击性能。

图3. 不同尺寸参数层合板冲击破坏模式：（a）specimen 3；（b）specimen 4；（c）specimen 5；（d）specimen 6;

Table 1. Energy absorption capacity against drop weight impact

此外，作者还进行了有限元仿真分析，得到与实验相一致的结果，进一步验证了模型的准确性，为未来贝壳仿生结构抗冲击韧性的进一步优化研究奠定了基础，且这种对贝壳珍珠层的结构设计研究可以做为新一代高性能材料体系的进一步优化的一个重要研究方向。

参考文献：
Kwonhwan Ko, Suyeong Jin, Sang Eon Lee, et al. Impact resistance of nacre-like composites diversely patterned by 3D printing[J]. Composite Structures. 2020, 238: 111951.