3D打印神奇Bouligand结构：纤维复合材料冲击性能飙升140%！
一、【科学背景】
复合材料的微结构仿生设计是一种具有前景的强化思路。在这种仿生设计下，螳螂虾的肢体是一种具有特殊周期性微结构的晶胞结构，这种结构由于其优异的抗冲击性和能量耗散在材料设计中引起了关注。然而，在过去的几十年里，由于制造技术和工艺，特别是在微结构设计方面未能从实验的角度去证明这种结构的冲击能力。此外，这类连续玻璃纤维增强的复合材料展现出来超强性能的背后机理现归因于裂纹偏转或者扭曲或是两者组合。因此，调控微结构参数（如偏转角等）和制造方法以调节能量耗散、优化螺旋结构并加强设计步骤对于改善复合材料的内在性能和稳定性至关重要。为解决该难题，南洋理工大学学者采用油墨3D打印方式制备了Bouligand结构的纤维复合材料，其研究发现，布里甘复合材料的能量吸收水平超过了具有单向微纤维排列的复合材料。此外，螺距角为40°的布里甘复合材料表现出2.4 kJ/m²的最大能量吸收，比单向复合材料高出140%。此外，对40°螺距角的复合材料进行的弯曲测试显示，这些复合材料具有最强的性能，包括36.9 MPa的弯曲强度，2.26 GPa的刚度和8 kJ/m²的能量吸收。这些发现对使用直接喷墨技术进行微观结构设计，用于航空航天、交通运输和国防等领域的工程复合材料具有很好的前景。这项研究也近日发表在Nature 材料子刊《NPG Asia Materials》期刊上，引起了不小的关注。
二、【科学贡献】
该研究采用了油墨3D打印方法来制备Bouligand结构的纤维树脂基复合材料，其中纤维的长径比在2-30之间（图1a），树脂采用商用环氧树脂。玻璃纤维分散均匀（图1b i），在喷嘴受到剪切力的作用下沿着管壁取向（图1b ii），最终在打印方向挤出（图1b iii和c）。通过这种方式，可以调节每层打印的角度，从而构建Bouligand结构。同时，3D打印使得可以实现复杂结构和大规模制备（图1d）。在3D打印过程中，微结构的调控可用于研究微结构设计对复合材料冲击性能的影响。
图1. 油墨3D 打印Bouligand结构玻纤增强树脂基复合材料
首先，研究了通过制备和测试单向玻璃纤维复合材料的抗冲击性能（图2）。结果显示，随着纤维取向角度的增加，复合材料抗冲击吸收能量也增加。在取向角度低于45˚时，裂纹沿着纤维的取向方向扩展；当取向角度为90˚时，断裂呈现裂纹偏转、大量玻纤拔出和断裂增加的情况。
图2. 0˚, 45˚ 和90˚单曲向结构的玻纤复合材料的Izod冲击性能。
Izod冲击测试显示，3D打印Bouligand结构的性能明显优于单向结构。在Bouligand结构中，当偏转角度为40˚时，抗冲击性能最佳，为2.5 kJ/m2。
图3. Bouligand结构的玻纤复合材料的Izod抗冲击性能。
此外，从断裂的表面形貌可以得到，不同偏转角度的Bouligand结构的表面粗糙度与能量吸收呈二次方关系。随着断裂表面粗糙度的增加，断裂吸收的能量也增加。这一现象之前未曾报道。表面的粗糙度与裂纹扩展路径相关，而裂纹的扩展受到微结构的控制。在低角度偏转角情况下，裂纹延着玻纤偏转角的方向扩展，出现裂纹扭转机制；在高角度偏转角情况下，裂纹主要呈现侨联机制。因此，通过合理设计偏转角，使裂纹扭转和侨联合理发生，可以使复合材料的能量吸收达到最大。此外，复合材料的孔隙率也会带来额外的断裂能量吸收效果（图3）。
图4. Bouligand结构的玻纤复合材料的断裂模拟。
为了确认实验结果，使用有限元方法进行了数值模拟。基体的力学性质是通过实验获得的。由于模拟模型依赖于理想参数，模拟结果中的能量吸收值不能直接与实验结果进行比较，因此，该值被用规范化的能量吸收值替代。对于螺距角从10°到90°的Bouligand复合材料的冲击测试的模拟显示，在40°处螺距角有最大的能量吸收，与实验结果一致。随着冲击速度的增加，所有速度下仍然在40°处螺距角获得最大值。这一发现表明冲击速度不影响最佳螺距角。此外，冲击速度（应变速率）影响了环氧基体的连续损伤，从而在复合材料的能量吸收中发挥了作用。因此，随着冲击速度的增加，复合材料的能量吸收增加被归因于螺旋结构（图4）。
图5. Bouligand结构的复合材料的弯曲性能和螺旋角的关系研究。
最后，复合材料在偏转角为40˚时的弯曲性能也得到提升。在这个角度下，复合材料的弯曲强度和模量达到37 MPa和2.2 GPa。低偏转角下，弯曲形变大，而在高偏转角下，弯曲形变减小。这是因为在低偏转角下，裂纹扩展主要是通过裂纹扭转机制，增加了形变路径，从而导致了较大的弯曲形变。而在高偏转角下，则相反。总体而言，静态加载下，裂纹的扩展同样发生在裂纹扭转和侨联机制下。这些研究发现为3D打印的Bouligand结构复合材料在航空航天、汽车和国防等领域的潜在应用提供了深入的了解。
三、【创新点】
本文的核心创新点在于通过油墨3D打印制备了具有Bouligand结构的纤维树脂基复合材料，并通过实验和数值模拟展示了这种结构在提高抗冲击性能和弯曲性能方面的显著优势。
四、【科学启迪】
本研究的灵感来源于螳螂虾的爪子。为了验证这个仿生理念，作者通过先进的油墨3D打印技术，成功制备了一种具有特殊结构的纤维树脂基复合材料，这种结构被称为Bouligand结构。实验结果表明，这种复合材料在抗冲击性能和弯曲性能方面明显优于传统的单向纤维排列的材料。具体而言，当Bouligand结构的排列角度为40度时，其抗冲击性能最佳，能量吸收比单向结构提高了140%。数值模拟结果也验证了实验结果，并揭示了Bouligand结构在提高能量吸收方面的重要作用。这一研究为设计和制备更轻、更强、更耐冲击的复合材料提供了新思路和方法。这种新型材料的潜在应用领域包括航空航天、汽车和国防等，将为这些领域的材料设计和性能提升带来积极影响。
原文详情：Lizhi Guan, Weixiang Peng, Rachel Ng Jing Wen, Jingbo Fan & Hortense Le Ferrand. Izod impact resistance of 3D printed discontinuous fibrous composites with Bouligand structure.NPG Asia Materials,;https://www.nature.com/articles/s41427-023-00508-6。
