仿生多层级结构增强熔融沉积成型材料的韧性：从蜘蛛丝到甲壳类壳体的跨尺度设计

针对熔融沉积成型(Fused Filament Fabrication, FFF)技术中材料刚度与韧性难以兼得的行业难题，Li Liang等受蜘蛛丝(核心-壳结构)和甲壳类壳体(Bouligand结构)启发，设计出双层级仿生复合材料。该研究通过70% PLA/30% TPU的核壳纤维结合螺旋叠层结构，使材料韧性提升3.8倍(仅牺牲37.3%刚度)，实现了脆性材料向延性材料的转变，为低成本扩展FFF材料性能边界提供了新范式。

　　

在增材制造领域，熔融沉积成型(Fused Filament Fabrication, FFF)技术因其操作简便和成本优势被广泛应用于航空航天、医疗等领域。然而该技术长期面临一个"鱼与熊掌"的困境：打印件要么像聚乳酸(PLA)般坚硬但脆如饼干，要么如热塑性聚氨酯(TPU)柔软却缺乏支撑力。这种刚度-韧性的矛盾严重制约了FFF在高性能工程领域的应用，就像试图用玻璃制作防弹衣——强度足够却一碰就碎。

自然界早已给出精妙解决方案：蜘蛛丝通过β-折叠晶体(硬相)与无定形区域(软相)的核壳结构实现高强度高韧性；螳螂虾的锤状附肢则借助Bouligand结构——一种螺旋排列的纤维层，使外壳兼具硬度与抗冲击性。受此启发，研究人员开展了一项跨尺度创新：将两种生物结构智慧融合，用3D打印技术破解材料界的"哥德巴赫猜想"。

研究团队采用双喷头Prusa XL打印机，以PLA为壳、TPU为芯制备直径1.75mm的核壳结构纤维(CSAF)，体积比精确控制为7:3。通过单喷头FFF打印机，结合层间旋转角度控制(15°-45°)，构建具有Bouligand结构的标准试样。借助数字图像相关技术(DIC)实时捕捉应变场，结合层压板理论(LPT)和有限元分析(FEA)进行力学预测，并通过显微观察揭示失效机制。

3.1 实验结果

核壳结构单纤维测试显示惊人转变：与传统PLA相比，PLA-TPU复合纤维在打印方向上的韧性飙升14.6倍，达到32.61%的极限应变。这就像给玻璃柱注入橡胶芯——当PLA外壳碎裂时，TPU芯材像"安全绳"般拉住裂缝两端。Bouligand结构则展现出"扭转乾坤"的妙用：15°螺旋角样本的 toughness 比传统±45°交叉铺层提高22.6%，裂纹扩展路径如DNA双螺旋般曲折蜿蜒，消耗更多能量。

3.2 理论与数值结果

层压板理论预测与有限元模拟高度吻合，误差小于5%。应力分布呈现有趣的"余弦波动"：在15° Bouligand结构中，每层应力差异高达47%，这种"波浪式"载荷分配有效延缓了整体失效。就像多人扛木头时自动调整受力位置，避免局部过载。

3.3 临界俯仰角

研究发现存在21.8°的临界俯仰角θ_c——这个"魔法角度"成为脆韧转变的开关。当θ<>_c时，裂纹如醉汉走路般东倒西歪，试样呈现阶梯式应力下降；反之则如刀切豆腐般直穿而过。20°试样的能量吸收能力比30°提高83%，证明小角度螺旋能激活更多"牺牲键"的断裂耗能。

这项研究开创性地将生物界两种独立的结构策略有机整合：蜘蛛丝的"刚柔并济"解决材料本征脆性，甲壳的"螺旋装甲"克服打印各向异性。就像给陶瓷刀装上碳纤维网，既保持锋利又防崩裂。特别值得关注的是，该设计仅通过常规FFF设备实现，无需昂贵的多材料打印系统，使高性能仿生材料真正具备产业化潜力。在航空航天领域，这种"预警式"失效模式（先出现微小裂纹而不立即断裂）对关键部件尤为重要；医疗领域则可为定制化骨科植入物提供强度与韧性俱佳的新选择。

正如论文通讯作者Sigmund Arnts?nn Tronvoll强调的，这项工作的深层价值在于揭示"结构增效"的普适原理：通过跨尺度结构设计，能用普通材料实现非凡性能。这为可持续材料开发指明新方向——不必总追求"超级材料"，学会"结构魔法"同样能点石成金。该成果发表于《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》，为绿色制造时代提供了兼具性能与成本优势的解决方案。