3D打印皮皮蝦仿生結(jié)構(gòu)，能夠提供令人難以置信的韌性

2022年7月15日，南極熊獲悉，來(lái)自深圳高性能材料增材制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和南方科技大學(xué)的一組研究人員從大自然的皮皮蝦（螳螂蝦）得到靈感，嘗試3D打印出具有仿生結(jié)構(gòu)的增韌陶瓷復(fù)合材料。

具有抗破壞特性的陶瓷復(fù)合材料需求量很大，因?yàn)轫g性是各種工業(yè)應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵要求。這些材料還傾向于提供化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性的組合，使它們能夠應(yīng)用于從汽車(chē)和航空航天到能源系統(tǒng)的一切領(lǐng)域。

不幸的是，由于模具制造的限制，今天的許多傳統(tǒng)陶瓷復(fù)合材料加工技術(shù)，如冰模鑄造或冷凍鑄造，無(wú)法創(chuàng)造出具有復(fù)雜和定制幾何形狀的部件。

研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在探索如何將從螳螂蝦中發(fā)現(xiàn)的保護(hù)結(jié)構(gòu)與數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術(shù)結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)造出幾何形狀復(fù)雜的陶瓷復(fù)合材料部件。

△螳螂蝦。照片來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校的Roy L. Caldwell。

螳螂蝦有什么特別之處？

螳螂蝦，也被稱(chēng)為皮皮蝦，口足類(lèi)動(dòng)物，是一種小型多色海洋甲殼類(lèi)動(dòng)物。它們因其好斗的天性和標(biāo)志性的拳頭狀附屬物而聞名，這種附屬物被稱(chēng)為雙叉肢節(jié)。

這種內(nèi)置的武器被用來(lái)粉碎和殺死硬殼獵物，如螃蟹和蝸牛，以令人難以置信的力量移動(dòng)，甚至可以突破最具保護(hù)性的外殼。事實(shí)上，人們相信雙鉗的加速度可以達(dá)到10,000克，產(chǎn)生的沖擊力與0.22口徑的子彈速度相當(dāng)。

但是，是什么使它們?nèi)绱四陀茫侩p叉肢節(jié)具有雙連續(xù)結(jié)構(gòu)，幫助它們吸收沖擊力，并過(guò)濾掉破壞性的剪切波，而不會(huì)出汗。有機(jī)物由甲殼素制成，這是一種常見(jiàn)于昆蟲(chóng)和甲殼類(lèi)動(dòng)物外殼的化合物，而無(wú)機(jī)相則由無(wú)定形的磷酸鈣和碳酸鈣組成。雙鉗結(jié)構(gòu)共同形成了一種抗裂的屏蔽效果，保護(hù)了軀干，讓螳螂蝦的獵物望而卻步。

△雙叉肢節(jié)結(jié)構(gòu)。照片來(lái)自普渡大學(xué)的Pablo Zavattieri。

硬度提升至116倍

在本研究中，研究小組從大自然生物當(dāng)中獲取靈感，用雙連續(xù)氧化鋯/環(huán)氧樹(shù)脂相3D打印復(fù)雜的陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)。

△(A)一只螳螂蝦的照片(圖片來(lái)源:Unsplash/CC0 Public Domain)及其在雙叉肢節(jié)沖擊表面的雙連續(xù)陶瓷/聚合物相結(jié)構(gòu)。(B)體積分?jǐn)?shù)為40.8%的均勻級(jí)配陶瓷及其復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備工藝。C)燒結(jié)陶瓷支架及復(fù)合材料固化拋光后的典型照片，樣品尺寸為12 × 12 × 12 mm3。D)陶瓷/聚合物界面鍵合的分子動(dòng)力學(xué)模擬和SEM圖像。比例尺:10μm。

為了測(cè)試仿生打印結(jié)構(gòu)的堅(jiān)韌程度，他們將這一概念應(yīng)用于牙科修復(fù)，用75%體積的氧化鋯3D打印了一系列的牙橋。橋體的分級(jí)陶瓷壁的厚度從0.3毫米線(xiàn)性增加到0.7毫米，展示了分級(jí)的應(yīng)力分布，以均勻的方式分散部件上的任何壓縮應(yīng)力。

在一系列的抗壓測(cè)試中，研究小組發(fā)現(xiàn)，與純陶瓷相比，他們的打印陶瓷復(fù)合材料的強(qiáng)度增加了213%。楊氏模量在打印的部件中只略有增加。令人驚訝的是，打印結(jié)構(gòu)的硬度也增加了116倍，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了使用傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法制造的獨(dú)特幾何形狀。

最終，這項(xiàng)研究在模仿螳螂蝦的雙連續(xù)結(jié)構(gòu)方面顯示出巨大的前景。3D打印的陶瓷復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性和抗壓強(qiáng)度特性，這在定制牙齒修復(fù)應(yīng)用中特別有用。

該研究的進(jìn)一步細(xì)節(jié)可以在題為 "3D打印陶瓷復(fù)合材料的仿生增韌設(shè)計(jì)/3D printing of ceramic composite with biomimetic toughening design"的論文中找到。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860422004195

這并不是首例以仿生學(xué)為中心的增材制造研究。在南極熊之前的報(bào)道中，來(lái)自美國(guó)的一個(gè)研究小組利用3D打印技術(shù)創(chuàng)造了受章魚(yú)啟發(fā)的吸盤(pán)。該團(tuán)隊(duì)由弗吉尼亞理工大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)，開(kāi)發(fā)了自己的自然啟發(fā)的神經(jīng)系統(tǒng)，能夠檢測(cè)物體并在幾毫秒內(nèi)自動(dòng)開(kāi)啟粘附。這種粘性皮膚被集成到一個(gè)可穿戴的手套中，為在水下環(huán)境中操縱物體提供了一種新的方法。弗吉尼亞理工大學(xué)開(kāi)發(fā)出3D打印仿生章魚(yú)吸盤(pán)，可實(shí)現(xiàn)水下粘附功能-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái) (nanjixiong.com)

在其他地方，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員從蝴蝶的翅膀中獲得靈感，3D打印出了人造的彩色納米結(jié)構(gòu)。原產(chǎn)于熱帶非洲的Cynandra opis物種的翅膀以其鮮艷的色彩為特征。然而，這些顏色不是基于顏料，而是結(jié)構(gòu)性的，這意味著它們是由翅膀表面復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。