增材制造仿海绵晶格结构在低速冲击载荷下的能量吸收特性

大自然一直是人类科技创新的灵感源泉。从蜘蛛丝的超高强度到荷叶的自清洁特性，科学家们通过模仿这些生物结构，创造出了许多性能卓越的仿生材料。

在航空航天、汽车制造和防护装备等领域，人们迫切需要既轻便又能高效吸收冲击能量的材料。为此，研究人员开始关注“架构材料”——这类材料不是通过改变化学成分，而是通过精心设计其几何结构来获得优异性能。更进一步，通过在材料中加入纳米复合材料，还能赋予其导电、自我感知损伤等新功能。

在众多仿生研究对象中，一种名为欧氏尖吻海绵的海洋生物引起了科学家的浓厚兴趣。这种海绵的骨骼呈现出独特的棋盘格状网格结构，兼具轻质和高强度的特点。此前的研究已经证实，模仿这种结构制造的点阵材料在静态压力下表现出优异的能量吸收能力。然而，这些材料在受到动态冲击时表现如何，仍是一个有待探索的领域。

近日，在发表于Defence Technology期刊的“Energy absorption characteristics of additively manufactured sea sponge-inspired lattice structures under low-velocity impact loading” 一文中，研究团队采用数字光处理3D打印技术，使用添加了纳米复合材料的光敏树脂，制造出了模仿海绵骨骼结构的点阵材料。研究人员在实验室中模拟低速冲击环境，系统测试了这些材料的抗冲击性能，重点关注了两个关键设计参数——结构中对角支撑与非对角支撑的厚度比例，以及材料的相对密度——对能量吸收效果的影响。

该研究为开发更轻、更强的抗冲击材料提供了新的思路，有望应用于防护装备、汽车碰撞部件和航空航天等实际工程领域。本期谷·专栏将对这项研究进行简要分享。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.dt.2025.04.008

中文摘要

为探究仿生晶格结构的能量吸收特性，该研究开展了低速冲击试验，对海洋海绵Euplectella aspergillum（偕老同穴海绵）的构造进行了模仿。这些仿海绵晶格结构具有带双对角支撑的方形网格二维晶格，并通过数字光处理（DLP）进行增材制造。该研究评估了海绵晶格结构在各种冲击条件下的压溃强度和能量吸收能力，并与构成它的方形网格和双对角晶格进行了比较。该研究表明，与方形网格晶格相比，海绵晶格可实现能量吸收提升11倍，这是由于双对角线支撑的稳定作用促使结构在冲击下逐层压溃。通过调整海绵晶格中的厚度比，可获得高达76.7%的能量吸收增量。研究还表明，海绵晶格的性能优于同等重量下的成熟吸能材料（如六边形蜂窝），这证实了其在冲击减缓方面具有巨大潜力。此外，本研究指出，向光固化树脂中添加少量（0.015 phr）多壁碳纳米管 (MWCNT) 可进一步增强能量吸收，这为设计具备多功能特性的创新型轻质结构开辟了新途径。

主要结论

本研究探讨了仿海绵晶格结构在低速冲击下的能量吸收特性。这些仿生结构具有方形网格二维晶格构型，并通过双对角支撑进行加固，采用数字光处理（DLP）技术及光固化聚合物增材制造而成。研究通过大量实验评估并对比了不同厚度比和相对密度的海绵晶格与其组元方形网格和双对角晶格的冲击性能。此外，该研究还分析了不同冲击能量对能量吸收特性的影响，并探究了碳纳米管纳米填料对海绵晶格冲击响应的增强效应。

海绵晶格中同时包含方形网格和双对角元素，由此产生的协同效应显著提升了冲击性能。这种协同效应表现为：在获得接近方形网格晶格刚度的同时，仍能保持类似于双对角晶格的稳定应力平台，最终使能量吸收相比方形网格晶格提升了11倍。海绵晶格冲击性能的增强归功于双对角支撑对方格基础晶格的稳定作用，有效抑制了整体失稳情况。厚度比为0.6的海绵晶格在冲击载荷下表现出最高的能量吸收，这归因于其能够提供高抗屈曲能力，同时保持渐进式逐层坍塌。海绵晶格的相对密度对其变形行为和能量吸收特性也至关重要。较高的相对密度（= 30%）能提高刚度和坍塌强度，但也会引发更为类脆性的坍塌行为，从而降低其比能量吸收能力。研究还表明，在聚合物中加入少量多壁碳纳米管（0.015phr）可增强海绵晶格的坍塌强度和能量吸收，为开发创新型轻质多功能结构提供了新的可能。此外，研究表明，与等重的六边形蜂窝结构及许多已发表的类似密度聚合物晶格结构相比，本研究中的海绵晶格在能量吸收方面表现更优。这表明，仿海绵晶格结构可减轻冲击或爆炸载荷的严重程度，是优异的轻量化设计备选材料。

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来源：Defence Technology

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