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太原理工大学张学勤/北京理工大学何汝杰：仿生设计+3D打印—新型聚脲增韧陶瓷点阵结构实现静动态力学性能“双提升” 精选

已有 947 次阅读 2025-5-21 10:06 |个人分类:JAC|系统分类:科研笔记

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Zhang X, Su R, Gao X, et al. 3D-printed polyurea-toughened Al₂O₃ cellular ceramic structures: Bioinspired dual-phase interpenetrating design for superior mechanical properties. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221095

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221095

ResearchGate： https://www.researchgate.net/publication/369175672_3D-printed_bioinspired_Al2O3polyurea_dual-phase_architecture_with_high_robustness_energy_absorption_and_cyclic_life

1、导读

陶瓷点阵结构（CCSs）因其低密度和卓越的承载能力而被认为是结构部件的候选。然而，CCSs的脆性和较差的能量吸收能力严重限制了它们的应用。自然界中，如鲍鱼壳、海螺壳等生物材料通过“硬质相（如碳酸钙）与韧相（如几丁质）”的双相互穿结构设计，实现了强度与韧性的完美平衡。受此启发，本文通过氧化铝陶瓷点阵结构光固化3D打印和聚脲渗透工艺，实现了一种新型聚脲增韧陶瓷点阵结构（P/CCSs）。论文系统探讨了点阵构型、相对密度等结构参数对P/CCSs准静态、动态力学性能的影响规律。结果表明，聚脲有效地改善了CCSs的力学性能。在准静态压缩载荷下，P/CCSs的承载能力和能量吸收能力分别是CCSs的1.22-3.64倍和57-519倍。P/CCSs的动态压缩强度和能量吸收分别是CCSs的1.07-1.85倍和3.31-10.94倍。由于聚脲的加入，P/CCSs在大变形下保持了结构完整性，而不是发生灾难性断裂。该工作为减轻陶瓷脆性的不利影响提供了一种有效的解决方案，使P/CCSs成为同时具备卓越承载能力和能量吸收能力的重要候选结构材料。

图1 P/CCSs的设计思路与力学性能

2、研究背景

陶瓷点阵结构（CCSs）因其轻质高强的特性，在航空、航天、兵器等领域具有广阔应用前景。然而，传统陶瓷材料的固有脆性和低能量吸收能力导致其在过载时易发生灾难性断裂，严重限制了实际应用。自然界中，如鲍鱼壳、海螺壳等生物材料通过“硬质相（如碳酸钙）与韧相（如几丁质）”的双相互穿结构设计，实现了强度与韧性的完美平衡。受此启发，科研团队提出了一种仿生双相互穿结构设计策略，以解决陶瓷点阵结构的脆性难题，实现静动态力学性能的“双提升”。

北京理工大学何汝杰教授、太原理工大学张学勤博士，通过氧化铝陶瓷点阵结构光固化3D打印与聚脲渗透工艺，成功制备了新型聚脲增韧氧化铝陶瓷点阵结构（P/CCSs）。论文采用三种典型点阵结构构型（体心立方BCC、Octet、改进体心立方MBCC）及不同相对密度（20%、30%、40%），系统探究了P/CCSs在准静态与动态压缩载荷下的力学性能。通过万能试验机准静态试验和分离式霍普金森压杆动态试验，结合高速摄像技术，全面分析了新型聚脲增韧陶瓷点阵结构的失效模式与能量吸收机制。

3、文章亮点

（1）将自然材料的双相互穿结构引入陶瓷点阵结构，通过硬质氧化铝骨架与柔性聚脲网络协同作用，显著提升P/CCSs抗压强度与能量吸收能力。

（2）P/CCSs在准静态压缩下的承载能力为CCSs的1.22–3.64倍，能量吸收能力是CCSs的57–519倍；动态压缩下强度与能量吸收分别为CCSs的1.07–1.85倍和3.31–10.94倍。

（3）与传统陶瓷不同，P/CCSs在大变形下仍能保持整体结构，避免灾难性破碎。

4、研究结果及结论

论文讨论了三种典型点阵结构构型（体心立方BCC、八面体Octet、改进体心立方MBCC）及不同相对密度（20%、30%、40%）对P/CCSs在准静态与动态压缩载荷下的力学行为的影响规律（如图2）。

图2 （a）P/CCSs的设计启发，（b-d）三种不同构型P/CCSs形貌说明

（1）准静态性能

抗压强度（QS）：聚脲增韧的改进体心立方结构（MBCC P/CCSs）表现最优，相对密度40%的P/MBCC40抗压强度达62.53 MPa，是MBCC40的2.62倍。

能量吸收（QE）：MBCC P/CCSs的能量吸收能力远超其他设计，P/MBCC40的QE值达15.60 MJ/m³，是MBCC40的120倍。

图3 P/CCSs的准静态压缩强度（QS）和能量吸收（QE）

图4 P/CCSs在准静态压缩载荷下的变形过程：（a）P/BCC20，（b）P/Octet20，（c）P/MBCC20

图5 P/CCSs在准静态压缩载荷下的失效过程及示意图：（a）P/BCC20，（b）P/Octet20，（c）P/MBCC20

（2）动态性能

抗压强度（DS）：P/MBCC40的动态抗压强度达125.70 MPa，是准静态抗压强度的2.01倍。

应变率效应：动态加载下材料表现出显著的应变率强化效应。

能量吸收（DE）：P/CCSs在动态压缩载荷下的能量吸收能力是CCSs的3.31-10.94倍。

图6 P/CCSs在动态压缩载荷下的（a，c）应力-应变曲线，（b，d）动态压缩强度（DS）与和动态能量吸收（DE）

图7 P/CCSs在动态压缩载荷下的失效过程：（a）P/BCC40，（b）P/Octet40，（c）P/MBCC40

以上研究充分证明，双相互穿结构是兼顾CCSs强度与能量吸收的有效手段，聚脲通过限制断裂支柱的位移，促使破碎陶瓷骨架持续提供支撑，形成类似金属点阵的渐进式失效行为，而非传统陶瓷的瞬时崩解，能在保持CCSs轻量化优势的同时，充分发挥硬、软双相材料在承载与吸能中的优势，使得P/CCSs的比压缩强度和比能量吸收能力远超CCSs，甚至能与金属点阵结构比肩。该研究通过仿生设计与先进3D打印制造技术，成功解决了CCSs的脆性瓶颈，为开发兼具高承载与高能量吸收的结构材料提供了全新思路。P/CCSs在防护装甲、冲击缓冲装置等领域展现巨大潜力，未来可扩展至其他陶瓷体系，推动结构材料向轻量化、多功能化迈进。。

5、作者及研究团队简介

张学勤（第一作者），太原理工大学讲师，2024年于北京理工大学获得博士学位（导师：何汝杰教授）。主要从事增材制造与力学超常规陶瓷材料研究。目前在J Adv Ceram、Chem Eng J、Virtual Phys Prototy等期刊发表SCI论文20余篇，其中高被引论文2篇，单篇被引最高超100次。曾参与多项国家级项目，主持北京理工大学创新项目2项。曾获北京市优秀毕业生、北京市三好学生、国家奖学金、北京理工大学优秀博士学位论文等荣誉。

何汝杰（通讯作者），北京理工大学长聘教授、博士生导师。长期从事陶瓷及其复合材料3D打印基础理论、关键技术及工程应用研究，包括：陶瓷及其复合材料3D打印成形工艺与原理、3D打印陶瓷及其复合材料的形性表征与精准调控、3D打印陶瓷及其复合材料的结构功能一体化构筑与应用等。主持国家自然科学基金3项及各类国防/国家项目20余项。以第一/通讯作者发表SCI论文150余篇，授权专利10余件。担任Journal of Advanced Ceramics副主编、npj Advanced Manufacturing副主编、International Journal of Applied Ceramic Technology副主编及十几个英文/中文期刊的编委/青年编委。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1. ZHANG X, ZHANG K, ZHANG B, et al. Mechanical properties of additively-manufactured cellular ceramic structures: A comprehensive study. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(12): 1918-1931. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-022-0656-5

2. HE R, ZHOU N, ZHANG K, et al. Progress and challenges towards additive manufacturing of SiC ceramic. Journal of Advanced Ceramics, 2021, 10(4): 637-674. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-021-0484-z

3. FENG C, ZHANG K, HE R, et al. Additive manufacturing of hydroxyapatite bioceramic scaffolds: Dispersion, digital light processing, sintering, mechanical properties, and biocompatibility. Journal of Advanced Ceramics, 2020, 9(3): 360-373. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-020-0375-8

4. Shan Y, Bai Y, Yang S, et al. 3D-printed strontium-incorporated β-TCP bioceramic triply periodic minimal surface scaffolds with simultaneous high porosity, enhanced strength, and excellent bioactivity. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(9): 1671-1684. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220787

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇；2024年6月发布的影响因子为18.6，连续4年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，该刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。