3D结构设计的Al?O?/聚合物复合材料的损伤容忍度和循环稳定性

《Journal of Materiomics》：Damage tolerance and cyclic stability of 3D-architected Al 2O 3/polymer composites

陶瓷复合材料通过3D打印TPMS结构及聚合物浸渍制备，实现高压缩强度（201.9 MPa）和优异能量吸收（40.1 MJ/m3），经X-CT分析显示裂纹偏转及界面脱粘机制，循环寿命达100次以上。

　　陶瓷材料因其高强度、高刚度、轻质以及良好的化学稳定性，在结构部件、电子设备和生物医学材料等领域得到了广泛应用。然而，陶瓷材料的固有脆性和不可预测的灾难性断裂，严重限制了其在工程应用中的可靠性。为了提升陶瓷结构材料在复杂应力环境下的能量吸收能力和循环载荷耐受性，研究人员提出了多种创新策略，以增强材料的韧性与损伤容限。本文介绍了一种基于数字光处理（DLP）3D打印技术的新型策略，结合了三重周期性最小曲面（TPMS）结构设计与聚合物渗透工艺，成功制备了高强度且具有优异循环稳定性的Al?O?/聚合物复合材料。

在传统陶瓷材料中，由于其共价键和离子键的特性，陶瓷展现出出色的机械性能，但同时也表现出较低的韧性。陶瓷在加工和成型过程中容易产生表面缺陷，而这些缺陷对裂纹的敏感性会进一步降低其机械性能。为了改善这一问题，研究者们尝试通过引入多孔结构来提高陶瓷材料的韧性，例如模仿天然骨骼结构的多孔陶瓷。然而，随着结构复杂度的增加，材料的性能往往会有所下降。因此，开发一种既能保持陶瓷高强度特性，又能有效提升韧性与循环性能的新型复合材料成为研究重点。

本文提出了一种基于TPMS结构的复合材料设计方法，通过DLP 3D打印技术构建了具有精细结构的Al?O?微晶格，并随后通过聚合物渗透工艺将其与聚合物基体结合。TPMS结构是一种周期性排列的三维最小曲面结构，其特点在于具有平滑的相互连接表面，避免了节点处的应力集中。这种结构已经被证明在特定应用场景下具有更高的比强度和能量吸收效率，相较于传统的蜂窝结构和晶格结构更为优越。此外，TPMS结构的高表面积特性也促进了陶瓷与聚合物之间的更多界面结合点，进一步增强了复合材料的力学性能。

在实验过程中，研究人员首先利用DLP 3D打印技术制备了具有I-Wrapped Package（IWP）结构的Al?O?微晶格。IWP结构是一种被证明具有优异性能的TPMS结构，能够有效提升复合材料的力学表现。随后，通过表面羟基化和硅烷偶联剂处理，增强了陶瓷与聚合物之间的界面结合。最后，将聚合物填充至陶瓷微晶格内部，形成最终的复合材料。实验结果表明，该复合材料在准静态压缩测试中表现出高达（201.9 ± 13.2）MPa的压缩强度，以及高达（40.1 ± 0.8）MJ/m3的能量吸收能力，远超传统陶瓷材料的性能表现。

进一步的机械性能测试显示，这种复合材料在循环载荷下的表现同样出色。在60%和70%最大应力水平下，复合材料能够承受超过100次循环载荷，而在80%应力水平下仍能维持73次循环。这种优异的循环稳定性归因于复合材料内部的应力分布机制以及聚合物在裂纹扩展过程中的能量耗散作用。聚合物不仅能够分散陶瓷结构中的压缩应力，还能通过塑性变形和界面脱粘等机制吸收大量能量，从而显著提高材料的韧性。同时，TPMS结构的优化设计使得裂纹在材料内部逐步扩展，而非在外部高曲率区域突然发生断裂，这种“渐进式失效”模式有效提高了材料的损伤容限。

X-CT（X射线计算机断层扫描）和扫描电子显微镜（SEM）的分析结果揭示了复合材料在受力过程中的裂纹生成与扩展路径。裂纹首先在陶瓷微晶格的内部壳层形成，然后向周围扩散，最终达到界面区域。这种裂纹扩展路径的优化使得材料在遭受较大损伤后仍能保持其结构完整性，从而展现出良好的循环性能。此外，聚合物的引入使得裂纹尖端钝化，进一步延缓了裂纹的扩展速度，增强了材料的抗断裂能力。

在循环载荷测试中，研究人员还观察到了材料在不同应力水平下的残余应变变化。随着循环次数的增加，残余应变逐渐上升，表明材料在长期使用过程中可能会发生一定程度的不可逆变形。然而，这种变形并未导致材料的完全失效，反而在一定程度上提升了其在极端载荷条件下的耐久性。实验数据表明，即使在80%的最大压缩应力下，材料仍能维持73次循环，远高于传统陶瓷材料的性能表现。这种性能的提升主要得益于TPMS结构对裂纹路径的优化以及聚合物在裂纹扩展过程中的能量耗散作用。

从材料性能的综合评估来看，这种基于TPMS结构的Al?O?/聚合物复合材料在强度、能量吸收和循环稳定性方面均表现出显著优势。通过对比不同结构材料的Ashby图，可以发现该复合材料在比能量吸收和比压缩强度方面均优于其他类型的聚合物基复合材料。此外，其在循环载荷下的表现也优于传统陶瓷材料，能够承受更高应力水平下的多次循环载荷，展现出良好的工程应用潜力。

该研究不仅为陶瓷材料的性能提升提供了新的思路，也为未来开发具有高损伤容限和长使用寿命的结构材料奠定了基础。通过结合先进的3D打印技术与生物启发的结构设计，研究人员成功克服了传统陶瓷材料的脆性缺陷，使其在极端环境下具备更高的可靠性和耐久性。这种复合材料的应用前景广阔，有望在航空航天、汽车制造、能源设备等领域发挥重要作用。

综上所述，本文提出的基于TPMS结构的Al?O?/聚合物复合材料设计方法，通过优化材料的内部结构和界面性能，显著提升了陶瓷材料的力学性能与循环稳定性。该方法不仅为解决陶瓷材料脆性问题提供了可行的解决方案，也为开发新型高性能复合材料开辟了新的研究方向。未来的研究可以进一步探索该复合材料在不同应用场景下的性能表现，以及如何通过调整结构参数和材料组成来进一步优化其力学性能。