增材制造仿生聚合物涂层陶瓷点阵：涂层厚度与力学建模的作用

《Engineering Structures》：Additively manufactured bioinspired polymer-coated ceramic lattices: on the role of coating thickness and mechanical modeling

　　

# 摘要

将聚合物引入复合材料已成为一种有前景的仿生策略，用于提高陶瓷晶格结构（CLSs）的损伤容限，但聚合物涂层陶瓷晶格结构（PCCLSs）的力学性能量化理解仍然是一个关键空白。本研究详细分析了涂层厚度在PCCLSs力学响应中的作用。CLSs通过立体光固化（SL）增材制造技术制备，随后通过快速浸涂工艺施加具有可控厚度的均匀聚合物涂层。在准静态压缩试验下对PCCLSs的力学性能进行了实验测量。结果表明，与未涂层结构相比，涂层结构表现出显著增强的力学性能，同时整体堆积密度仅略有增加，从而获得了显著高的强度密度比。PCCLSs的强度随涂层厚度增加而增大，且优于陶瓷和树脂强度的总和，表明两种组分之间存在协同效应。这种协同效应随涂层厚度增加而愈发明显。此外，本研究基于Timoshenko梁理论建立了一种力学模型。利用该模型可以捕捉结构弹性模量和压缩强度随涂层厚度增加的演变规律。本工作为高性能、损伤容限陶瓷复合材料的优化设计提供了关键的实验和理论基础，用于先进轻量化工程应用。

# 引言

陶瓷晶格结构（CLSs）是由周期性排列的陶瓷基单元胞构成的多孔结构材料[1,2,3]，包括简单立方（SC）、八面体桁架（OCT）、体心立方（BCC）和三重周期极小曲面（TPMS）构型。精确的几何设计使设计者能够在三维空间中沿CLSs的高效率承载路径布置材料，从而实现低密度与力学性能之间的优异平衡[4]。此外，陶瓷本身具有高熔点、卓越硬度、耐腐蚀性和低热膨胀系数等特性[5,6]。当制成晶格结构时，它们还展现出超高比表面积、可设计的传热通道、优异的能量吸收能力和可调电磁性能，使其在极端环境应用中极具前景[7,8]。

传统机械加工和铸造方法在制备复杂精细的CLSs方面面临根本性挑战，包括几何复杂性限制、陶瓷脆性导致的损伤风险、模具和高成本专用工具及材料废料、低生产效率以及脱模要求和刀具可达性等方面的严重设计约束[9,10]。相比之下，增材制造（AM）利用无模具、逐层沉积的基本原理克服了这些局限性。AM提供了无与伦比的几何自由度、设计驱动的制造灵活性、显著降低的模具成本、提高的材料利用率，以及独特的制备具有微米级特征的复杂集成结构的能力[11]。因此，它已成为制备高性能复杂CLSs的主要且极具优势的技术路径[12,13]。在结构轻量化方面，Zhang等[14]研究了通过基于数字光处理（DLP）的增材制造技术制备的Al?O?晶格结构的准静态和动力学性能，报道修正BCC构型表现出最优的压缩强度和能量吸收能力，密度增加（20–40%）显著提升了性能。Tang等[15]通过DLP技术设计并制备了Al?O?/SiO? TPMS结构，实现了力学-电磁一体化，压缩强度达24 MPa（体积分数50%），X波段平均电磁干扰（EMI）屏蔽效能达55 dB。Xu等[16]采用间接增材制造技术制备了SiC晶格结构（六面体、八面体和十四面体），结果提供了增强力学性能的CLS结构设计。Yu等[17]基于修正的Gibson–Ashby定律和Timoshenko梁理论开发了陶瓷晶格结构的力学性能预测模型。通过压缩强度实验，该模型对简单立方（拉伸主导）和体心立方（弯曲主导）晶格的预测准确率范围为90%至97%。这为优化晶格杆的长径比和相对密度提供了可靠工具。然而，陶瓷固有的低损伤容限——表现为由于陶瓷固有脆性导致的抗裂纹萌生和扩展能力差——仍然是其更广泛应用的关键障碍[18]。

仿生设计为解决材料脆性与断裂韧性之间的固有矛盾提供了新途径。具体而言，该方法受到自然界生物材料的启发，这些材料通过层次结构和复合机制实现了强度与韧性的优异平衡[19,20]。例如，螳螂虾的锤状附肢能够以23 m/s的速度进行极快的击打，加速度可达104,000 m/s2，实现对猎物的重复高速冲击。这种能力源于专门的锤中包含排列在柔韧基体材料中的周期性刚性纤维[21,22]。珍珠母同样实现了压缩强度与韧性的卓越平衡，其结构采用精密的三维"砖-灰"设计，由矿物板（95 vol% 文石）和薄有机层（5 vol% 蛋白质和几丁质）互连而成[23]。仿生设计的核心在于从生物结构中抽象出的精密设计原则，包括多尺度架构、梯度分布和能量耗散机制，然后将其形式化为预测模型以指导先进材料的工程化[24,25]。在早期阶段，基于仿生原理设计的材料通常具有层状交替结构特征。Sun等[23]研究了通过DLP基3D打印后聚合物渗透制备的层状氧化锆/PMMA和氧化锆/碳纤维增强PMMA复合材料的力学性能。他们报道当陶瓷与PMMA和碳纤维集成时，弯曲强度、断裂韧性和断裂功显著改善（最高达611.4 MPa强度和14.87 MPa·m1/2断裂韧性）。增韧机制包括裂纹偏转、层板和纤维拔出、聚合物变形和界面脱粘。Livanov等[26]研究了高陶瓷含量（约99.5 vol%）的层状氧化铝/PVA和氧化铝/PMMA复合材料的力学性能，这些材料通过将聚合物层旋涂到氧化铝片上制备而成。他们报道这些层状复合材料的断裂韧性大幅增强（比整体氧化铝提高一个数量级），并且断裂过程中存在独特的"互锁"机制，提高了样品的刚度。Pogorelov等[27]研究了仿生层状氧化铝/环氧复合材料的力学性能，这些材料通过将薄氧化铝片（250 μm）与用聚己内酯（PCL）增韧的环氧树脂粘合而成。他们报道具有15层陶瓷且环氧中含有31 wt% PCL的复合材料实现了弯曲强度（376 MPa）和韧性（2.9 MJ/m3）的极高组合，韧性相比整体氧化铝提高了16倍。然而，这些仿生层状交替结构本质上是二维的，导致极端的力学各向异性。

此外，互穿相复合材料（IPCs）作为仿生设计的延伸，由于其由两种或多种材料相组成的三维共连续网络而展现出增强的性能[28,29,30,31]。当CLSs作为增强相时，IPCs的主要结构形式为CLS-金属或CLS-聚合物双连续相结构。Singh等[32]研究了通过槽式光固化增材制造技术制备的CLS-环氧IPCs的静态和动态阻尼性能，这些IPCs采用TPMS（Gyroid、IWP、P-cell）和随机旋节拓扑结构进行工程设计。他们报道IPCs表现出增强的阻尼容量，性能取决于拓扑结构和陶瓷含量。Li等[33]研究了通过槽式光固化增材制造和熔渗技术制备的氧化铝CLS（BCC和SC）/环氧IPCs的准静态压缩性能。他们报道这些IPCs表现出强度增强（比组分线性总和高出65%），延长的应力平台（约0.6应变），以及同时具有高比强度（最高142.6 MPa/(g/cm3)）和高比能量吸收（最高35.6 J/g），这归因于陶瓷断裂韧性的改善和渐进性失效。Lu等[34]研究了Al?O?/AlSi10Mg IPCs的准静态压缩和循环动态冲击性能。他们报道增大胞体尺寸降低了纯Al?O?支架的力学性能，但提高了IPCs的准静态压缩强度（最高250 MPa）和循环抗冲击性（冲击强度最高290.74 MPa），这归因于金属相保护增强和相界面协调性改善。与整体CLSs相比，Al?O? CLS/环氧[35]、ZrO? CLS/环氧[36]和Al?O? CLS/聚脲[22,37] IPCs中观察到了类似的力学性能提升。

为进一步实现材料轻量化，在现有CLS/聚合物IPCs设计的基础上，研究人员引入了涂层，同时有效保持CLSs的多孔特性，最终制备出聚合物涂层陶瓷晶格结构（PCCLSs）。Sajadi等[38]研究了具有共形环氧树脂涂层（约70–100 μm）的PCCLSs的损伤容限。涂层通过延迟裂纹扩展和抵抗灾难性失效显著提高了压缩强度和韧性。Guo等[39]制备了Al?O?/环氧PCCLSs，报道与未处理结构相比，极限压缩应力提高了259%，能量吸收提高了161%。然而，PCCLSs方面仍存在研究空白。尽管取得了这些令人振奋的成果，但两项研究均仅采用单一固定涂层厚度，未研究涂层厚度变化如何影响力学性能。此外，尽管对于此类结构的理性设计而言，PCCLSs的预测性力学模型至关重要，但目前尚不存在这样的模型——具体而言，是一个能够根据涂层厚度和晶格几何确定弹性模量和压缩强度的模型。Gibson–Ashby模型被广泛用于预测整体CLSs的力学性能[40,41,42]。根据该模型，晶格相对于其母材的相对杨氏模量（E*/E）和压缩强度（σ*/σ_CS）均与相对几何密度（ρ/ρ_s）成正比，受幂律关系支配：E*/E ∝ (ρ/ρ_s)^e，σ*/σ_CS ∝ (ρ/ρ_s)^e，其中ρ和ρ_s分别表示晶格和组成固体材料的密度；E*和E分别表示晶格和固体材料的杨氏模量；σ*和σ_CS分别对应晶格和固体材料的压缩强度。然而，由于PCCLSs的双材料组成，Gibson–Ashby模型无法直接用于预测其性能。因此，涂层厚度对PCCLSs力学行为的影响以及预测模型的开发均构成研究空白。

为提供对该研究空白的见解，本工作系统地研究了涂层厚度对PCCLSs力学性能的影响，并首次建立了其结构弹性模量和压缩强度的预测模型。通过立体光固化（SL）增材制造技术制备整体CLSs。随后采用可扩展的迅速浸涂工艺制备具有可控涂层厚度变化的PCCLS样品。基于Timoshenko梁理论开发了理论模型以预测PCCLS的力学响应。通过准静态压缩试验和有限元模拟相结合的方法分析了这些样品的失效机制和力学行为。本工作的创新之处在于：(i) 首次实验量化涂层厚度对PCCLSs的影响，(ii) 开发了针对涂层晶格的基于力学的预测模型，(iii) 通过实验与数值耦合阐明了随涂层厚度变化的失效转变。这些贡献为设计高比强度PCCLSs提供了全面的实验和理论基础，促进其未来的工程应用。

# 章节片段

## CLSs和PCCLSs的制备

具有BCC单元胞尺寸为9 mm、相对密度为0.2、0.3和0.4的CLSs（18 × 18 × 18 mm3）通过SolidWorks软件建模，所得3D模型以STL格式导出至Magic软件以生成用于3D打印的切片文件（层厚=0.05 mm）。CLSs通过SL打印机（CeraBuilder 160Pro，武汉英泰莱激光技术有限公司，中国）使用Al?O?悬浮液（50 vol%固含量，武汉英泰莱激光技术有限公司，中国）制备。

## 样品形貌

为制备具有可控涂层厚度的PCCLS样品，在相对密度为20%、30%和40%的CLSs样品上进行了多次浸涂循环。所得样品的宏观形貌如图4a-c所示。作为参考，样品以"相对密度-涂层次数"命名；例如，"40-C2"表示相对密度为40%且经过两次涂层处理的PCCLS样品。

CLSs样品的尺寸测量结果

# 结论

本研究详细分析了涂层厚度在聚合物涂层陶瓷晶格结构（PCCLS）力学响应中的作用。通过立体光固化（SL）增材制造技术制备BCC型晶格支架，随后通过快速浸涂工艺施加具有可控厚度的均匀聚合物涂层。

准静态压缩测试和数值模拟的结果显示，涂层结构表现出显著的
CRediT 作者贡献声明
Ke Zhong：撰写 – 初稿，方法论，形式分析，概念化。
Jin Cui：撰写 – 审阅与编辑，形式分析。
Zhiguo Wang：验证。
Zhouwei Liu：数据整理。
Yuhui Zhao：数据整理，资源。
Jianfeng Chen：验证，资源。
Jibin Zhao：监督，项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到广东省重点领域研发计划 (2023B0909020002)，中国中央引导地方科技发展基金 (2025JH6/101100021)，国家自然科学基金委员会 (52575466)，辽宁省科学技术计划项目 (2025JH1/11700009)，大连医科大学附属第一医院与中国科学院大连化学物理研究所医学行业联合创新基金项目支持。
Ke Zhong|Jin Cui|Zhiguo Wang|Zhouwei Liu|Yuhui Zhao|Jianfeng Chen|Jibin Zhao
中国科学院沈阳自动化研究所，机器人技术与系统国家重点实验室，辽宁沈阳，110016，中国