基于TPMS的多功能互穿相复合材料：结构、性能、压电特性及应用综述

阿联酋哈利法科学技术大学航空航天工程系、阿布扎比石墨烯与二维材料研究与创新中心（RIC-2D）、美国印第安纳州立大学机械工程技术系、阿联酋哈利法科学技术大学机械工程系、英国曼彻斯特大学材料系的科研人员综述报道了TPMS基互穿相复合材料研究进展。相关论文以“Multifunctional TPMS-based interpenetrating phase composites: A comprehensive review of structure, properties, piezoelectricity and applications”为题发表在《Composites Part C: Open Access》上。

【文章亮点】

• 本综述阐明了具有优异热-电-机械性能的互穿相复合材料（IPCs）的重要意义

• 研究聚焦3D打印复合材料中的三周期极小曲面（TPMS）与晶格结构设计

• 系统评述IPCs的疲劳、断裂及能量吸收等综合性能

• 重点探讨智能互穿压电相复合材料（IP2Cs）的独特优势

• 剖析结构化IPCs的工业应用与研究空白

从航空航天到汽车、军事、机械、电信和电子等众多行业，材料在设计和制造结构和部件方面发挥着至关重要的作用。多功能、轻量化、多相复合材料作为一种变革性的材料已经崭露头角，为现代工程开辟了新的视野。因此，复合材料的设计和组成已经发展到提高整体结构的完整性和性能。凭借卓越的电-热-机械性能，互穿相复合材料（IPCs）在各工业领域的需求日益增长。IPCs通过金属、陶瓷和聚合物相的相互渗透，兼具强度、刚度和韧性的平衡组合，具备优异的热学特性、耐磨性以及微观结构和加工路线的灵活性。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

本综述深入探讨了多功能增强相在3D打印复合材料中的集成应用，重点分析两大核心主题：通过TPMS结构协同增强其他相性能的IPCs，以及相比传统材料具有特殊优势的互穿压电相复合材料（IP2Cs）。研究团队汇编了IPCs的有效性能参数、机械性能、疲劳断裂行为、能量吸收能力和耦合机电特性等全面数据，并着重介绍了结构化IPCs的工业应用实例。通过对当前研究的批判性分析，本文不仅指出技术空白与挑战，更揭示了TPMS多孔结构在3D打印动态发展中的创新潜力。

图1.IPCs的多样化应用场景

图2.(a)基于MSLattice软件生成的表面TPMS晶格结构；(b)通过有限元技术制备TPMS基IPCs的工艺流程

图3.(A)采用混合增材制造（SLM+SPS）制备WC-Co粉末与Ti晶格IPC的示意图；(B)完整混合制造流程；(C)熔模铸造阶段前后实施的方法

图4.空心晶格与复合体系的数值模拟和实验结果对比分析

图5.(A)G-IPCs与25%相对密度螺旋金属多孔支架的压缩模拟，展示均匀塑性变形和渐进层状断裂；(B)三种结构复合材料（砖砌/布利冈/交叉层状）的断裂韧性样本SEM与CT三维重建；(C)不同结构Mg-Ti复合材料的力学性能对比。

图6.制造工艺与电晕极化装置示意图

图7.(a)P/G/N型TPMS结构及其3×3×3单元；(b)电势分布；(c)von Mises应力；(d)应变能在不同IP2C结构表面的分布

图8.IPCs在实际工程中的应用案例

图9.压电复合材料的结构与性能特征

图10.本文所述TPMS基IPCs相比传统复合材料的优势示意图

互穿相复合材料（IPCs）通过两相三维拓扑共连续网络的构建，实现了超越传统复合材料的电-热-机械协同性能和载荷传递能力。本文系统梳理了IPCs在有效性能参数（弹性模量/热导率/电学系数）、静动态力学响应、疲劳断裂、能量吸收及压电特性等方面的研究进展，重点汇总了TPMS基IPCs的AM制备工艺与建模方法。相较于既往综述，首次详细阐释了IP2Cs的研究数据与能量吸收机制。

当前对结构化材料创新构型的力学表征研究正推动其商业化应用进程，本文据此提出了未来重点研究方向。通过AM技术的设计自由度与精度优势，IPCs性能边界将持续拓展——特别是AM技术、互穿几何与压电材料的融合，为非常规能量收集装置开辟了新途径，预示着可持续发电技术与日常应用的深度融合前景。

本综述为探索新型材料-几何组合奠定了理论基础，具有革命性性能的IPCs有望重塑多个工业领域。文中提出的策略框架将加速TPMS基IPCs的性能优化与成本控制进程，推动材料科学与工程的范式变革。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2025.100596

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