伊朗團(tuán)隊(duì)用FDM3D打印和普通PLA做出吸能超材料

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負(fù)泊松比越大的材料，吸能效果一定越好嗎？

伊朗一項(xiàng)最新研究和我們過往認(rèn)知不同。

他們將三種經(jīng)典結(jié)構(gòu)混合，不僅讓吸能效率飆升三倍，更揭示了結(jié)構(gòu)協(xié)同作用遠(yuǎn)比單一特性更重要。

上周，伊朗科學(xué)技術(shù)大學(xué)的Shahmorad團(tuán)隊(duì)在《Scientific Reports》上發(fā)了篇論文，在超材料領(lǐng)域給我們提供了個(gè)新思路。

他們用最普通的PLA材料和一臺(tái)CrealityK1 FDM 3D打印機(jī)，做出了一種混合拉脹超材料（auxeticmeta materials），其比能量吸收（SEA）達(dá)到了驚人的6024J/kg。

作為對比，同樣材料的實(shí)體PLA塊，這個(gè)數(shù)值只有1810J/kg。

也就是說，這個(gè)新結(jié)構(gòu)在輕了大約50%的同時(shí)，吸能效率反而是實(shí)體材料的3.3倍。

深入技術(shù)：為何混合比單一更強(qiáng)？
我們先得明白，拉脹材料為什么適合吸能。簡單說，就是它有負(fù)泊松比（NPR）。

你壓它，它會(huì)跟著收縮（而不是像普通材料那樣鼓出去）；你拉它，它會(huì)跟著膨脹。

這種特性讓它在受到?jīng)_擊時(shí)，能把能量向內(nèi)拉住，實(shí)現(xiàn)高效的能量耗散，特別適合做防護(hù)和緩沖。

這個(gè)伊朗團(tuán)隊(duì)沒有去發(fā)明全新的單元胞元，而是選了三種已經(jīng)被驗(yàn)證過、性能很強(qiáng)的老將：

蜂窩（Honeycomb）、立方體（Cubic）和四手性（Tetrachiral）。

蜂窩（Honeycomb）是經(jīng)典的吸能結(jié)構(gòu)，主要靠胞壁的彎曲和折疊來耗散能量。

立方體（Cubic）則是一種拉伸主導(dǎo)（Stretch-dominated）的結(jié)構(gòu)，初始剛度和強(qiáng)度很高。

四手性（Tetrachiral）是手性（Chiral）結(jié)構(gòu)的代表，它的拉脹效應(yīng)不是靠拉，而是靠內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的，能產(chǎn)生很強(qiáng)的負(fù)泊松比效應(yīng)。

然后，團(tuán)隊(duì)就像調(diào)配雞尾酒一樣，把它們兩兩組合或三者全上，搞出了四種混合結(jié)構(gòu)：

HC（蜂窩-立方體）、HT（蜂窩-四手性）、TC（四手性-立方體）和HTC（蜂窩-四手性-立方體）。

最佳的吸能結(jié)構(gòu)：蜂窩-四手性
經(jīng)過測試，蜂窩-四手性結(jié)構(gòu)是最佳的吸能結(jié)構(gòu)。
我們看超材料吸能，不能只看它能頂住多大的峰值應(yīng)力（TC的峰值應(yīng)力其實(shí)不低），更要看它的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

一個(gè)理想的吸能材料，應(yīng)該是在屈服后，能在一個(gè)較長的應(yīng)變范圍內(nèi)，保持一個(gè)相對恒定的應(yīng)力水平，這就是我們常說的平臺(tái)區(qū)。
平臺(tái)區(qū)越長越平，意味著它能在被壓扁的整個(gè)過程中，持續(xù)、穩(wěn)定地吃掉能量，而不是硬頂一下就碎了或者軟趴趴地一下就壓實(shí)了。
HT結(jié)構(gòu)的勝利，就在于它實(shí)現(xiàn)了最長的平臺(tái)區(qū)。

這背后的力學(xué)機(jī)制，就是一種協(xié)同作用（Synergy）。
蜂窩結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)提供基礎(chǔ)的漸進(jìn)式屈曲和折疊，這是能量耗散的主力。
四手性結(jié)構(gòu)則通過其旋轉(zhuǎn)機(jī)制，提供了強(qiáng)大的拉脹效應(yīng)（橫向收縮）。
兩者一結(jié)合，四手性單元誘導(dǎo)的負(fù)泊松比效應(yīng)，能有效地引導(dǎo)相鄰的蜂窩單元，讓它們進(jìn)入一種更有序、更漸進(jìn)的塌陷模式，而不是發(fā)生災(zāi)難性的、迅速的局部破壞。
這種有序塌陷極大地延緩了結(jié)構(gòu)整體進(jìn)入致密化（被壓實(shí)）的時(shí)間點(diǎn)，從而把平臺(tái)區(qū)拉到了最長。
一個(gè)關(guān)鍵的行業(yè)洞察：NPR與SEA的權(quán)衡
那么是不是負(fù)泊松比（NPR）越負(fù)，吸能效果就越好？
答案是否定的。
我們來看數(shù)據(jù)：所有四種結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出了拉脹特性（NPR在-1.0到-1.7之間）。

其中，HC（蜂窩-立方體）結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了最極端的負(fù)泊松比，達(dá)到了-1.7。

但它的吸能效果（3374J/kg）卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于HT結(jié)構(gòu)。

這是為什么？

這其實(shí)是一個(gè)功能上的權(quán)衡。

極端的負(fù)泊松比意味著結(jié)構(gòu)在受壓時(shí)會(huì)發(fā)生非常強(qiáng)烈的橫向收縮。

這種收縮在抵抗穿刺時(shí)可能有用，但在吸能時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部的胞壁或桿件過早地相互接觸（自接觸），使結(jié)構(gòu)提前進(jìn)入致密化階段。

說白了，HC結(jié)構(gòu)縮得太快太猛，導(dǎo)致它還沒來得及充分變形，平臺(tái)區(qū)就提前結(jié)束了。

而HT結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，則是在拉脹效應(yīng)和平臺(tái)區(qū)持續(xù)性之間找到了最佳的平衡點(diǎn)。

它的NPR值（雖然沒HC那么極端）足以引導(dǎo)有序變形，同時(shí)又保證了結(jié)構(gòu)有足夠的空間去塌陷和折疊，從而最大化了能量吸收。

制造工藝的細(xì)節(jié)：被低估的潛力
當(dāng)我們看到他們的FDM打印參數(shù)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)細(xì)節(jié)。
他們用的是Creality K1，材料PLA，層高0.2mm，100%填充……這些都是正常參數(shù)。
但打印溫度：180°C。
180°C對于PLA來說，有點(diǎn)低了。
這個(gè)溫度處于PLA熔融范圍的絕對下限（行業(yè)通常推薦200°C-220°C）
這么低的打印溫度，有可能使得，聚合物鏈在相鄰層之間幾乎沒有足夠的時(shí)間和能量去充分?jǐn)U散和纏結(jié)。
這會(huì)帶來一個(gè)必然的結(jié)果：不良的層間結(jié)合力（Inter layer Adhesion）。

現(xiàn)在我們回過頭去看他們的失效模式分析。

研究人員自己也報(bào)告了，在壓縮過程中觀察到了層間滑動(dòng)，尤其是在TC結(jié)構(gòu)中非常明顯。

這就說得通了。

所謂的層間滑動(dòng)，本質(zhì)上很可能并非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)期的失效模式（如屈曲或旋轉(zhuǎn)），而是一種FDM工藝缺陷導(dǎo)致的提前失效。

結(jié)構(gòu)在受力時(shí)，還沒等到幾何拓?fù)浒l(fā)揮出全部吸能潛力，最薄弱的層間界面就先滑了。

目前這個(gè)6024J/kg的優(yōu)秀數(shù)據(jù)，是在一個(gè)打印工藝次優(yōu)（Sub-optimal）、存在明顯層間缺陷的樣品上測出來的。

如果這個(gè)團(tuán)隊(duì)后續(xù)采用優(yōu)化的工藝參數(shù)，甚至使用Tough PLA等層間結(jié)合力更強(qiáng)的材料，來消除層間滑動(dòng)這個(gè)非理想的失效模式，讓能量耗散100%由幾何結(jié)構(gòu)（屈曲和折疊）來主導(dǎo)。

那么，這個(gè)HT混合拉脹結(jié)構(gòu)的真實(shí)性能上限，可能遠(yuǎn)不止6024J/kg。

這項(xiàng)研究提醒我們，在我們追求前沿新材料和復(fù)雜算法的同時(shí)，回頭看看那些基礎(chǔ)單元的精巧組合，可能是一條成本更低、效率更高的創(chuàng)新路徑。
用設(shè)計(jì)去彌補(bǔ)材料和工藝的短板，這對于FDM這類低成本技術(shù)尤為重要。
這項(xiàng)工作同時(shí)也證明了，使用FDM和PLA這種桌面級/入門級的3D打印配置，完全有潛力制造出用于嚴(yán)肅工程應(yīng)用（如輕量化碰撞防護(hù)、無人機(jī)緩沖、可穿戴防護(hù)設(shè)備內(nèi)襯）的高性能部件。
關(guān)注AM易道，讀懂3D打印的變化之道。