仿生多级结构设计实现熔融沉积成型材料刚-韧协同提升

针对FDM(熔融沉积成型)打印件刚度与韧性难以兼得的问题，本研究受蚕丝(核心-壳层结构)和甲壳(螺旋层状结构)启发，通过PLA-TPU双材料复合丝材和Bouligand结构设计，实现韧性提升3.8倍的同时保留70%硬质相体积分数，为低成本拓展增材制造材料性能边界提供新思路。

　　

在增材制造领域，熔融沉积成型(Fused Filament Fabrication, FFF)技术因其成本低、设计自由度高而广泛应用，但打印件往往面临"刚则脆、韧则软"的困境。传统PLA材料刚度优异却易脆断，而TPU虽韧性突出但刚度不足。更棘手的是，即便使用ABS等性能均衡的材料，层间粘接缺陷仍会导致强度下降。这种性能矛盾严重制约了FFF技术在航空航天、医疗等高端领域的应用。

为突破这一瓶颈，Li Liang和Sigmund Arnts?nn Tronvoll从自然界获取灵感：蜘蛛丝通过硬质蛋白质核心与软质表皮层的巧妙组合实现高强度高韧性，而螳螂虾甲壳的螺旋层状(Bouligand)结构则赋予其卓越的抗冲击性能。研究团队创新性地将这两种生物结构整合，通过双级仿生设计开发出具有革命性的FFF材料体系。

研究采用PLA(聚乳酸)和TPU(热塑性聚氨酯)分别作为硬质相和软质相，通过双喷头3D打印机(Prusa XL)制备核心-壳层结构丝材(PLA占比70vol%)。利用单喷头打印机(Prusa MK3S)结合算法控制，实现Bouligand结构的精确堆叠。通过数字图像相关技术(DIC)实时监测应变场，结合层合板理论(LPT)和有限元分析(FEA)预测弹性行为。关键样本经切割研磨后，采用光学显微镜(Hirox RH-2000)观察微观结构。

3.1 实验结果

核心-壳层结构使PLA-TPU丝材的断裂应变提升14.6倍(2.23%→32.61%)，韧性增长10.3倍。但横向加载时性能骤降，凸显各向异性问题。Bouligand结构成功解决该问题：当螺旋角θ=15°时，PLA-TPU 15B试样展现出独特的阶梯式破坏曲线，DIC显示裂纹沿螺旋路径扩展，能量吸收效率显著提升。

3.2 理论与数值结果

LPT分析表明应力分布呈余弦波动，α=0°层承受最大轴向应力。FEA模拟与实验数据高度吻合，误差<5%。临界螺旋角θ_c=24°被确定为脆-韧转变阈值：当θ<>_c时，裂纹扩展路径曲折度增加80%，能量耗散提升381%。

3.3 临界螺旋角机制

应力比σ₂/σ₁与材料抗力比S_⊥/S_∥的平衡关系决定破坏模式。θ=20°试样的渐进式破坏过程持续8%-15%应变范围，明显优于θ=30°试样的突发性破坏。

这项发表于《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》的研究，通过仿生多级结构设计实现了三大突破：首次将蚕丝的结构优势引入FFF丝材设计；建立螺旋角-性能的定量关系；开发出刚度保留63%、韧性提升近4倍的复合材料体系。该成果不仅为突破增材制造"强度-韧性权衡"困境提供新范式，其"自然启发-理论预测-工艺实现"的研究框架更为其他材料体系开发提供普适性方法论。特别值得注意的是，全流程采用常规FFF设备实现，使该技术具备大规模产业化的潜力，有望推动3D打印从原型制造向终端产品制造的跨越。