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2025年4月26日，南极熊获悉，来自休斯顿大学的研究团队开发了一种新方法，通过将受折纸启发的几何形状与生物相容性的弹性涂层相结合，制造出柔韧、抗损伤的陶瓷结构。该方法利用3D打印技术生产复杂的Miura-ori陶瓷结构，然后涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS），一种超弹性硅酮聚合物。最终得到的是一类脆性材料，能量吸收和故障容限性能显著提高。
研究项目由机械与航空航天工程系助理教授Maksud Rahman领导，博士后研究员Md Shajedul Hoque Thakur做出了重要贡献。他们的研究成果以题为“Macroscaleceramic origami structures with hyper-elastic coating”的论文发表在《先进复合材料与混合材料》杂志上，全面介绍了陶瓷折纸结构的实验程序、材料建模和机械测试。
休斯顿大学工程团队采用基于浆料的立体光刻技术设计和制造了Miura-ori陶瓷结构，这是一种3D打印工艺，利用二氧化硅填充的树脂和紫外线构建复杂的高分辨率形状。之所以选择这种复杂的折纸图案，是因为它们具有独特的机械优势，包括多稳定性、可调刚度和拉胀性能。打印完成后，组件经过一系列清洁和干燥步骤，然后在高达1271°C的温度下进行多级热烧结。烧结工艺去除了聚合物粘合剂，并融合了二氧化硅颗粒，最终形成了致密的承重陶瓷，致密度接近50%。
为了确保烧结收缩后的尺寸精度，研究团队在打印前调整了使用MATLAB和SolidWorks生成的数字设计文件。扫描电子显微镜 (SEM) 证实了成品陶瓷晶格内已成功致密化，且晶粒边界发育良好。
△折纸结构的组装及压缩测试的说明。图片来自 Springer Nature Link。
折纸陶瓷表面涂有一层薄薄的聚二甲基硅氧烷 (PDMS)，这是一种广泛使用的生物相容性有机硅弹性体，具有柔韧性。研究团队采用真空辅助浸涂工艺，分两步固化 PDMS，使其厚度均匀，达到 75 至100 微米。扫描电镜 (SEM) 横截面显示，弹性体涂层覆盖了结构的所有表面和褶皱，但仍然停留在表面，并未渗入陶瓷芯。体积分析估计，复合材料的 91% 由陶瓷构成，与天然珍珠层的结构非常相似，后者采用脆/软层结构来增强韧性。
三轴机械测试
使用Instron ElectroPuls E3000 系统对涂层和未涂层的折纸样品在三个正交方向上进行了压缩试验。载荷-挠度测量表明，未涂层陶瓷在低应变下会发生灾难性破坏，尤其是在最薄弱的轴向。相比之下，PDMS涂层样品在破坏前吸收的能量明显更多。最薄弱的载荷方向表现出最大的韧性相对改善——这归因于弹性层实现了区域化破坏，从而防止裂纹一次性扩展到整个结构。
SEM 成像进一步表明，涂层阻止或减缓了裂纹扩展，导致材料呈现出逐步局部失效模式，而非陶瓷材料典型的突然崩塌。在不同压缩阶段拍摄的光学图像证实，涂层折纸在未涂层样品受到破坏的应变下仍能保持结构完整性。
使用ABAQUS/Explicit进行有限元分析，并根据陶瓷（混凝土损伤塑性）和超弹性 PDMS 涂层（Arruda-Boyce 模型）分别定制材料模型。采用单元删除程序来精确模拟断裂和分离。模拟结果与实验结果高度吻合，表明涂层样品的应力集中较低，损伤累积延迟。网格收敛性已得到验证，最终模型包含近 30 万个单元，以确保数值稳定性。
△制作3D 打印的陶瓷 Miura-ori 结构，然后涂覆超弹性涂层。图片来自 Springer Nature Link。
冯·米塞斯应力和最大主应变分析表明，PDMS 层将载荷重新分配，使其远离脆弱的边缘和顶点。涂层的存在降低了拉伸和压缩损伤变量，其中最易产生裂纹的方向的减幅最大。
循环载荷表明在重复应变下的耐久性
研究人员进一步评估了涂层陶瓷在X方向循环载荷下的破坏情况，压缩应变高达1.5%。未涂层结构在该阈值或以下失效，但PDMS涂层样品经受了多次载荷循环后，峰值力仅略有下降——这表明裂纹桥接和损伤得到控制。循环载荷模拟证实了这一趋势，并为损伤随时间演变提供了更多见解。
研究团队的方法表明，将复杂的折纸几何形状与3D打印陶瓷和超弹性涂层相结合，可以产生具有特定应用机械性能的宏观结构。通过调整几何形状和材料成分，休斯顿大学的工程师们开辟了一条通往轻质、坚韧且生物相容性材料的道路，这些材料适用于假肢、植入物、抗冲击航空航天部件和机器人系统。
未来的工作将重点利用算法设计和仿真进一步优化 Miura-ori 单元参数，以在特定负载条件下实现性能最大化。研究团队预计，先进的优化技术（例如贝叶斯方法或遗传算法）将能够快速识别出最佳设计配置，以应对新的工程挑战。
△建筑陶瓷结构准静态压缩试验结果。图片来自 Springer Nature Link。
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