目前应用于吸能防护领域的轻质材料普遍面临一经制备其几何形状和力学性能即被固定的难题。织物基材料，包括编织或互锁结构，具有自适应特性，可有效地适应复杂几何形状，然而其力学性能较差。因此，迫切需要开发具有优异力学性能的轻型织物基材料，这将是迈向下一代形状自适应防护材料的重要一步。
近期，新加坡南洋理工大学周琨教授课题组首次提出并基于增材制造技术制造了由三维内凹结构单元以交错排列模式拓扑互锁而成的双面结构织物（图1）。三维内凹结构单元由杆件直径d、边长a和内凹深度m三个几何参数定义，为防止单元杆件的重叠及内凹结构特性的缺失，对几何参数提出较高要求。在本工作中，该结构织物是采用惠普多射流熔融（Multi Jet Fusion，MJF）技术由聚酰胺12（PA12）材料打印， 分别设置d，a，m为1，10，0.3 mm（图 1a）。由于该结构织物上下表面的单元排列模式不同，从而具有双面结构特征（图1b）。该双面结构织物具有高度的柔性，可以折叠、垂墜和卷起，且卷起之后可进一步收缩30%以便储存。施加真空围压后，该织物可以承受超过其自身质量25倍的载荷（图1c）。由于三维内凹结构单元及其独特的拓扑互锁模式的协同强化，该双面结构织物具有突出的比强度和比吸能，以及优异的变形恢复率，突破了强度与变形恢复性之间的对立（图2）。此外，当在该结构织物的边界施加90 kPa的真空围压时，其比弯曲模量可提高67倍。新颖的互锁模式在该双面结构织物的上下表面分别引入了平面接触区域和点接触区域，导致分别加载该织物上下表面时的弯曲模量不同，从而提高了改变真空围压调整结构弯曲模量的精度和范围。 
图 1. 双面结构织物的设计和打印原型
与目前的可穿戴材料相比，所提出的双面结构织物具有显著提高的力学性能和形状自适应性（图3），其优异的能量吸收能力，推动了具有防护能力的轻型智能服和防止二次损伤的先进康复服的开发，其高度的形状自适应能力可以使个人，如宇航员或现场救援人员，快速创建任何形状的工具，并在资源稀缺的条件下根据需求调整其比强度、比弯曲模量和比吸能。值得说明的是，尽管该双面结构织物在本工作中是通过MJF技术采用PA12材料打印，但在增材制造技术快速发展的背景下，该结构织物可以根据应用需求通过其他技术和材料制造。例如，对于在超高强度、高温和/或形状自适应防护领域的应用，可以使用镍基高温合金打印该双面结构织物。这项研究工作利用增材制造技术提供的设计自由度，将结构单元的设计及其排列模式的创新结合起来，使吸能防护材料兼具独特的结构特性和优异的力学性能，即弥补了现有防护材料的不足，也扩大了织物基材料在形状自适应防护领域的应用，如轻质防护服、医疗支持、精密组件的包装，以及军事和航空航天安全设备等。 
图2. 双面结构织物与其他吸能防护材料力学性能的比较
该工作以“Additively Manufactured Dual-faced Structured Fabric for Shape-adaptive Protection”为题发表在《Advanced Science》上（Adv. Sci.2023, 2301567）。文章第一作者是南洋理工大学博士后研究员田圆圆博士。湖南大学方棋洪教授为该论文的共同通讯作者。南洋理工大学博士后研究员陈开卷博士为共同第一作者。其他合作者包括南洋理工大学博士研究生Han Zheng、Zhuohong Zeng和Asker Jarlöv，南洋理工大学博士后研究员Devesh R. Kripalani和Jiayao Chen，美国惠普公司三维数字制造实验室总监Lihua Zhao博士和技术专家Adrian Ong，中南大学白立春教授，南洋理工大学Hejun Du教授和Yifan Wang教授，西南交通大学康国政教授，和佐治亚理工学院H. Jerry Qi教授。 图3. 双面结构织物与其他可穿戴材料的性能比较及其在形状自适应防护领域的应用
新加坡南洋理工大学周琨教授课题组依托于惠普-南洋理工大学数字制造联合实验室和新加坡3D打印中心，长期从事多种增材制造技术（3D打印）研究，例如粉末熔融（MJF、SLM、SLS）、光固化（DLP、SLA）、墨水直写（DIW）、挤出成型（FDM）等。目前聚焦于功能聚合物复合材料及高性能新金属材料研发、先进结构设计和多尺度模拟仿真、增材制造零件宏微观力学性能表征及其应用等。
论文链接:
http://doi.org/10.1002/advs.202301567 
