同济大学 l 一种用于3D打印抗冲击复合材料的通用增韧与能量耗散策略

随着低空经济与3D打印技术的融合发展，聚合物基复合材料的抗冲击性能优化成为关键课题。常用聚合物基体材料因延展性不足，难以满足飞行器零部件对动态力学性能的需求。本期谷·专栏所分享的研究论文中，同济大学李岩教授团队提出了一种通用增韧和能量耗散策略，显著增强3D打印聚合物基复合材料在抗冲击性、延展性和强度-延展性平衡方面的表现，使其特别适合冲击防护应用。该策略为低空飞行器3D打印复合材料升级带来了启示。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

1.研究背景

3D打印聚合物基复合材料具有轻质、高强和可设计等优势，在航空航天和医疗器械等领域应用广泛。然而，常用基体材料如聚乳酸和环氧树脂等可导致打印构件断裂延伸率低、动态载荷下易失效等问题。目前增韧与能量耗散方法包括柔性聚合物共混、引入刚性颗粒构建多相体系，以及接枝或共聚改性，但这些方法通常存在工艺复杂、兼容性差、增韧效果有限等问题。因此，开发一种具有普适性、简单性、显著性的增韧与能量耗散策略具有重要的科学意义和应用价值。

2.文章概述

近日，同济大学李岩教授团队提出了一种基于B-O动态配位键的通用3D打印聚合物基复合材料增韧与能量耗散策略。研究团队将剪切变硬胶（SSG）引入聚乳酸（PLA）基体中，制备出高韧性智能抗冲击复合材料（PLA/SSG），在拉伸强度保持不变的前提下，实现断裂延伸率提升40倍，冲击吸能提高330%。进一步研究表明，复合材料的高延展性源于SSG诱导PLA基体的多重开裂与局部塑性屈服，而显著提升的冲击性能则归因于SSG中B-O键引发的“软-硬”相变吸能机制。该策略适用于多数脆性聚合物基体，为3D打印抗冲击复合材料力学性能优化提供了新思路。

3.图文导读

图1 一种通用的复合材料增韧和能量耗散策略。（a）将B-O动态交联聚合物作为二级填料引入脆性聚合物基体中，提高复合材料的韧性和冲击能量吸收性能；（b）PLA/SSG的制备流程示意图（SSG合成→熔融共混→3D打印成型）。

图2 SSG及PLA/SSG的剪切刚化效应和微结构特征。（a-b）FTIR光谱；（c）SSG的流变曲线；（d）PLA/SSG的频率扫描曲线；（e）剪切刚化效应诱导的∆E'/E'与SSG含量的正相关响应；（f）热重曲线；（g）PLA/SSG在冷冻断裂后的横截面形貌（i. PLA/SSG (100/0), ii. PLA/SSG (98/2), iii. PLA/SSG (70/30)），具有典型的“海岛”结构。

图3 低应变率下的强度-延展性平衡。（a）准静态拉伸应力-应变响应；（b）不同类型PLA/SSG的断裂延伸率和极限拉伸强度，当SSG的质量分数为2%时，PLA/SSG具有40倍的延展性提升；（c）断裂颈缩演化过程；（d）强度-延展性的平衡，44.8%的极限强度提升与52.3%的延展性提高。

图4 高应变率下的抗冲击性能。（a）不同类型PLA/SSG的冲击弯曲载荷-位移曲线；（b）冲击峰值载荷与极限位移曲线；（c）冲击能量吸收对比；（d）断裂形貌对比（PLA脆性断裂i, iii；PLA/SSG韧性断裂ii, iv）。

图5 增韧与能量吸收机制。（a）低应变率下PLA/SSG的增韧机制（多重银纹与剪切屈服的协同）；（b）SSG分子链缠结与解缠结的应变率响应；（c）高应变率下PLA/SSG的能量吸收机制（剪切硬化）；（d）SSG的jamming相图。

图6 基于PLA/SSG的抗冲击结构设计与性能表征：(a) 原位“离线”浸渍工艺及连续纤维3D打印流程示意图；(b) 亚麻纤维增强复合材料的抗冲击性能测试；(c) 3D打印结构实物展示。

4、 结论：

团队提出一种受B-O动态配位键启发的3D打印聚合物基复合材料通用增韧与能量吸收策略。通过将剪切变硬材料（SSG）封装于聚乳酸（PLA）基体中，制备出具有自适应力学响应的智能抗冲击复合材料（PLA/SSG），其冲击韧性提升330%，延展性提高40倍，强韧平衡显著改善。该材料兼具优异的热稳定性和加工性，支持复杂结构的定制化成型，制备的PLA/SSG基亚麻纤维增强复合材料较传统复合材料能量耗散提升20.6%。该策略为高性能3D打印抗冲击复合材料的开发提供了新途径。

该项目研究获得国家自然科学基金（No. 12132011）、国家重点研发计划重点项目（No. 2022YFB000）以及智元研究院（No. ZYL2024009a）的资助，谨此感谢。

论文信息：

A Universal Toughening and Energy-Dissipating Strategy for Impact-Resistant 3D-Printed Composites

Xiang Hong, Peng Wang,* Yu Ma, Weidong Yang, Junming Zhang, Zhongsen Zhang, and Yan Li*

Advanced Science

DOI:10.1002/advs.202501450

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