3D打印双/多材料聚合物超材料的能量吸收与压缩性能数值/实验研究

研究人员针对机械超材料在能量吸收和轻量化应用中的需求，通过融合沉积建模(FDM)技术制备了蜂窝状、重入式和立方体三种超材料单元结构，结合PLA、TPU、ABS等聚合物材料，系统研究了其压缩性能和能量吸收特性。结果表明蜂窝结构具有最优的屈服应力(14.85±0.61 MPa)和比能量吸收值(5540.15±293.85 J/kg)，且结构类型对力学性能的影响大于材料组合。该研究为汽车防撞结构等能量吸收装置的设计提供了新思路。

　　

在航空航天和汽车工业领域，如何设计兼具轻量化与高能量吸收特性的结构材料一直是研究热点。传统材料性能受限于其本征特性，而机械超材料(metamaterial)通过特殊的微观结构设计可实现天然材料不具备的性能，如负泊松比(NPR)和高比能量吸收(SEA)。然而，现有研究多聚焦单一材料超材料，对多材料组合的结构性能协同机制缺乏系统认识。

为解决这一问题，伊朗Semnan大学机械工程学院的Shokouh Dezianian和Mohammad Azadi团队在《Heliyon》发表研究，创新性地将聚乳酸(PLA)、热塑性聚氨酯(TPU)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)通过分层组合策略构建双/多材料超材料。研究选取蜂窝(honeycomb)、重入式(re-entrant)和立方体(cube)三种典型单元结构，采用融合沉积建模(FDM)技术制备试样，通过场发射扫描电镜(FESEM)表征制造缺陷，并依据ASTM D695标准进行压缩测试，结合有限元仿真(Abaqus软件)和灵敏度分析(Design Expert软件)系统评估性能。

关键技术方法包括：1) 基于文献确定三种单元结构的几何参数；2) 采用FDM 3D打印技术制备六种材料组合的试样，关键参数如喷嘴温度(PLA:180°C/TPU:200°C/ABS:225°C)；3) 使用环氧树脂粘接多层材料；4) 通过FESEM观察表面缺陷；5) 开展准静态压缩试验(加载速率1.3 mm/min)；6) 采用动态显式有限元分析验证实验结果。

3.1. 3D打印质量
FESEM图像显示试样存在两类缺陷：由高温导致的气泡破裂孔洞(直径约10-50μm)和因打印路径规划产生的层间错位。这些缺陷主要分布在试样边缘区域，其中ABS材料的层间分离现象最为显著。

3.2. 压缩测试数据
蜂窝结构展现出最优异的力学性能，PLA蜂窝的屈服应力(14.85±0.61 MPa)比实心结构提高209%，TPU/PLA组合的断裂韧性达3811.75±890.35 J/kg。值得注意的是，当考虑最小截面积时，超材料的实际应力水平接近实心结构，验证了其结构效率优势。

3.3. 灵敏度分析与优化
回归分析(R²>90%)表明：1) 单元结构类型对重量(P<0.0001)和SEA(P<0.0001)影响最大；2) PLA材料对功(P<0.0001)的贡献率最高；3) 蜂窝结构在PLA基体中获得最优SEA值，而TPU材料中重入式结构表现更佳。

3.4. 试样失效分析
PLA蜂窝结构呈现独特的整体塌缩模式，而ABS试样主要表现为层状剥离。TPU试样展现出超弹性行为，卸载后几乎完全恢复原状，这种可逆变形机制对可重复使用的缓冲装置具有重要价值。

3.5. 仿真结果
有限元模拟与实验数据的误差<10%，成功预测了不同结构的变形模式：立方结构的支柱弯曲、重入式结构的节点屈曲以及蜂窝结构的渐进式层叠压缩。

该研究证实：1) 通过多材料组合(如PLA/TPU)可协同提升力学性能，突破单一材料局限；2) 蜂窝结构在能量吸收应用中具有显著优势，其SEA值是汽车常用钢材的3-5倍；3) FDM制造的缺陷主要影响疲劳寿命而非准静态性能。这些发现为定制化超材料设计提供了重要指导，特别是在汽车防撞梁、人体防护装备等需要高能量吸收效率的领域。未来研究可进一步优化打印参数以减少缺陷，并开展动态冲击试验以评估实际应用性能。