3D打印皮皮蝦仿生結構，能夠提供令人難以置信的韌性

2022年7月15日，南極熊獲悉，來自深圳高性能材料增材制造重點實驗室和南方科技大學的一組研究人員從大自然的皮皮蝦（螳螂蝦）得到靈感，嘗試3D打印出具有仿生結構的增韌陶瓷復合材料。

具有抗破壞特性的陶瓷復合材料需求量很大，因為韌性是各種工業(yè)應用的一個關鍵要求。這些材料還傾向于提供化學和機械穩(wěn)定性的組合，使它們能夠應用于從汽車和航空航天到能源系統(tǒng)的一切領域。

不幸的是，由于模具制造的限制，今天的許多傳統(tǒng)陶瓷復合材料加工技術，如冰模鑄造或冷凍鑄造，無法創(chuàng)造出具有復雜和定制幾何形狀的部件。

研究團隊現(xiàn)在正在探索如何將從螳螂蝦中發(fā)現(xiàn)的保護結構與數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術結合起來，創(chuàng)造出幾何形狀復雜的陶瓷復合材料部件。

△螳螂蝦。照片來自加州大學伯克利分校的Roy L. Caldwell。

螳螂蝦有什么特別之處？

螳螂蝦，也被稱為皮皮蝦，口足類動物，是一種小型多色海洋甲殼類動物。它們因其好斗的天性和標志性的拳頭狀附屬物而聞名，這種附屬物被稱為雙叉肢節(jié)。

這種內置的武器被用來粉碎和殺死硬殼獵物，如螃蟹和蝸牛，以令人難以置信的力量移動，甚至可以突破最具保護性的外殼。事實上，人們相信雙鉗的加速度可以達到10,000克，產生的沖擊力與0.22口徑的子彈速度相當。

但是，是什么使它們如此耐用？雙叉肢節(jié)具有雙連續(xù)結構，幫助它們吸收沖擊力，并過濾掉破壞性的剪切波，而不會出汗。有機物由甲殼素制成，這是一種常見于昆蟲和甲殼類動物外殼的化合物，而無機相則由無定形的磷酸鈣和碳酸鈣組成。雙鉗結構共同形成了一種抗裂的屏蔽效果，保護了軀干，讓螳螂蝦的獵物望而卻步。

△雙叉肢節(jié)結構。照片來自普渡大學的Pablo Zavattieri。

硬度提升至116倍

在本研究中，研究小組從大自然生物當中獲取靈感，用雙連續(xù)氧化鋯/環(huán)氧樹脂相3D打印復雜的陶瓷復合結構。

△(A)一只螳螂蝦的照片(圖片來源:Unsplash/CC0 Public Domain)及其在雙叉肢節(jié)沖擊表面的雙連續(xù)陶瓷/聚合物相結構。(B)體積分數(shù)為40.8%的均勻級配陶瓷及其復合材料的設計與制備工藝。C)燒結陶瓷支架及復合材料固化拋光后的典型照片，樣品尺寸為12 × 12 × 12 mm3。D)陶瓷/聚合物界面鍵合的分子動力學模擬和SEM圖像。比例尺:10μm。

為了測試仿生打印結構的堅韌程度，他們將這一概念應用于牙科修復，用75%體積的氧化鋯3D打印了一系列的牙橋。橋體的分級陶瓷壁的厚度從0.3毫米線性增加到0.7毫米，展示了分級的應力分布，以均勻的方式分散部件上的任何壓縮應力。

在一系列的抗壓測試中，研究小組發(fā)現(xiàn)，與純陶瓷相比，他們的打印陶瓷復合材料的強度增加了213%。楊氏模量在打印的部件中只略有增加。令人驚訝的是，打印結構的硬度也增加了116倍，同時實現(xiàn)了使用傳統(tǒng)技術無法制造的獨特幾何形狀。

最終，這項研究在模仿螳螂蝦的雙連續(xù)結構方面顯示出巨大的前景。3D打印的陶瓷復合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性和抗壓強度特性，這在定制牙齒修復應用中特別有用。

該研究的進一步細節(jié)可以在題為 "3D打印陶瓷復合材料的仿生增韌設計/3D printing of ceramic composite with biomimetic toughening design"的論文中找到。

相關論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860422004195

這并不是首例以仿生學為中心的增材制造研究。在南極熊之前的報道中，來自美國的一個研究小組利用3D打印技術創(chuàng)造了受章魚啟發(fā)的吸盤。該團隊由弗吉尼亞理工大學領導，開發(fā)了自己的自然啟發(fā)的神經系統(tǒng)，能夠檢測物體并在幾毫秒內自動開啟粘附。這種粘性皮膚被集成到一個可穿戴的手套中，為在水下環(huán)境中操縱物體提供了一種新的方法。弗吉尼亞理工大學開發(fā)出3D打印仿生章魚吸盤，可實現(xiàn)水下粘附功能-南極熊3D打印網 - 平臺 (nanjixiong.com)

在其他地方，蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員從蝴蝶的翅膀中獲得靈感，3D打印出了人造的彩色納米結構。原產于熱帶非洲的Cynandra opis物種的翅膀以其鮮艷的色彩為特征。然而，這些顏色不是基于顏料，而是結構性的，這意味著它們是由翅膀表面復雜的納米結構產生的。