伊朗团队用FDM3D打印和普通PLA做出吸能超材料

AM易道学术分享

负泊松比越大的材料，吸能效果一定越好吗？

伊朗一项最新研究和我们过往认知不同。

他们将三种经典结构混合，不仅让吸能效率飙升三倍，更揭示了结构协同作用远比单一特性更重要。

上周，伊朗科学技术大学的Shahmorad团队在《Scientific Reports》上发了篇论文，在超材料领域给我们提供了个新思路。

他们用最普通的PLA材料和一台CrealityK1 FDM 3D打印机，做出了一种混合拉胀超材料（auxeticmeta materials），其比能量吸收（SEA）达到了惊人的6024J/kg。

作为对比，同样材料的实体PLA块，这个数值只有1810J/kg。

也就是说，这个新结构在轻了大约50%的同时，吸能效率反而是实体材料的3.3倍。

深入技术：为何混合比单一更强？
我们先得明白，拉胀材料为什么适合吸能。简单说，就是它有负泊松比（NPR）。

你压它，它会跟着收缩（而不是像普通材料那样鼓出去）；你拉它，它会跟着膨胀。

这种特性让它在受到冲击时，能把能量向内拉住，实现高效的能量耗散，特别适合做防护和缓冲。

这个伊朗团队没有去发明全新的单元胞元，而是选了三种已经被验证过、性能很强的老将：

蜂窝（Honeycomb）、立方体（Cubic）和四手性（Tetrachiral）。

蜂窝（Honeycomb）是经典的吸能结构，主要靠胞壁的弯曲和折叠来耗散能量。

立方体（Cubic）则是一种拉伸主导（Stretch-dominated）的结构，初始刚度和强度很高。

四手性（Tetrachiral）是手性（Chiral）结构的代表，它的拉胀效应不是靠拉，而是靠内部节点的旋转来实现的，能产生很强的负泊松比效应。

然后，团队就像调配鸡尾酒一样，把它们两两组合或三者全上，搞出了四种混合结构：

HC（蜂窝-立方体）、HT（蜂窝-四手性）、TC（四手性-立方体）和HTC（蜂窝-四手性-立方体）。

最佳的吸能结构：蜂窝-四手性
经过测试，蜂窝-四手性结构是最佳的吸能结构。
我们看超材料吸能，不能只看它能顶住多大的峰值应力（TC的峰值应力其实不低），更要看它的应力-应变曲线。

一个理想的吸能材料，应该是在屈服后，能在一个较长的应变范围内，保持一个相对恒定的应力水平，这就是我们常说的平台区。
平台区越长越平，意味着它能在被压扁的整个过程中，持续、稳定地吃掉能量，而不是硬顶一下就碎了或者软趴趴地一下就压实了。
HT结构的胜利，就在于它实现了最长的平台区。

这背后的力学机制，就是一种协同作用（Synergy）。
蜂窝结构负责提供基础的渐进式屈曲和折叠，这是能量耗散的主力。
四手性结构则通过其旋转机制，提供了强大的拉胀效应（横向收缩）。
两者一结合，四手性单元诱导的负泊松比效应，能有效地引导相邻的蜂窝单元，让它们进入一种更有序、更渐进的塌陷模式，而不是发生灾难性的、迅速的局部破坏。
这种有序塌陷极大地延缓了结构整体进入致密化（被压实）的时间点，从而把平台区拉到了最长。
一个关键的行业洞察：NPR与SEA的权衡
那么是不是负泊松比（NPR）越负，吸能效果就越好？
答案是否定的。
我们来看数据：所有四种结构都表现出了拉胀特性（NPR在-1.0到-1.7之间）。

其中，HC（蜂窝-立方体）结构表现出了最极端的负泊松比，达到了-1.7。

但它的吸能效果（3374J/kg）却远远落后于HT结构。

这是为什么？

这其实是一个功能上的权衡。

极端的负泊松比意味着结构在受压时会发生非常强烈的横向收缩。

这种收缩在抵抗穿刺时可能有用，但在吸能时，它会导致结构内部的胞壁或杆件过早地相互接触（自接触），使结构提前进入致密化阶段。

说白了，HC结构缩得太快太猛，导致它还没来得及充分变形，平台区就提前结束了。

而HT结构的设计，则是在拉胀效应和平台区持续性之间找到了最佳的平衡点。

它的NPR值（虽然没HC那么极端）足以引导有序变形，同时又保证了结构有足够的空间去塌陷和折叠，从而最大化了能量吸收。

制造工艺的细节：被低估的潜力
当我们看到他们的FDM打印参数时，我们发现了一个细节。
他们用的是Creality K1，材料PLA，层高0.2mm，100%填充……这些都是正常参数。
但打印温度：180°C。
180°C对于PLA来说，有点低了。
这个温度处于PLA熔融范围的绝对下限（行业通常推荐200°C-220°C）
这么低的打印温度，有可能使得，聚合物链在相邻层之间几乎没有足够的时间和能量去充分扩散和缠结。
这会带来一个必然的结果：不良的层间结合力（Inter layer Adhesion）。

现在我们回过头去看他们的失效模式分析。

研究人员自己也报告了，在压缩过程中观察到了层间滑动，尤其是在TC结构中非常明显。

这就说得通了。

所谓的层间滑动，本质上很可能并非结构设计预期的失效模式（如屈曲或旋转），而是一种FDM工艺缺陷导致的提前失效。

结构在受力时，还没等到几何拓扑发挥出全部吸能潜力，最薄弱的层间界面就先滑了。

目前这个6024J/kg的优秀数据，是在一个打印工艺次优（Sub-optimal）、存在明显层间缺陷的样品上测出来的。

如果这个团队后续采用优化的工艺参数，甚至使用Tough PLA等层间结合力更强的材料，来消除层间滑动这个非理想的失效模式，让能量耗散100%由几何结构（屈曲和折叠）来主导。

那么，这个HT混合拉胀结构的真实性能上限，可能远不止6024J/kg。

这项研究提醒我们，在我们追求前沿新材料和复杂算法的同时，回头看看那些基础单元的精巧组合，可能是一条成本更低、效率更高的创新路径。
用设计去弥补材料和工艺的短板，这对于FDM这类低成本技术尤为重要。
这项工作同时也证明了，使用FDM和PLA这种桌面级/入门级的3D打印配置，完全有潜力制造出用于严肃工程应用（如轻量化碰撞防护、无人机缓冲、可穿戴防护设备内衬）的高性能部件。
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