休斯頓大學(xué)開發(fā)用于生物醫(yī)學(xué)和航空航天應(yīng)用的3D打印陶瓷折紙結(jié)構(gòu)

2025年4月26日，南極熊獲悉，來自休斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新方法，通過將受折紙啟發(fā)的幾何形狀與生物相容性的彈性涂層相結(jié)合，制造出柔韌、抗損傷的陶瓷結(jié)構(gòu)。該方法利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)復(fù)雜的Miura-ori陶瓷結(jié)構(gòu)，然后涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS），一種超彈性硅酮聚合物。最終得到的是一類脆性材料，能量吸收和故障容限性能顯著提高。

研究項(xiàng)目由機(jī)械與航空航天工程系助理教授Maksud Rahman領(lǐng)導(dǎo)，博士后研究員Md Shajedul Hoque Thakur做出了重要貢獻(xiàn)。他們的研究成果以題為“Macroscaleceramic origami structures with hyper-elastic coating”的論文發(fā)表在《先進(jìn)復(fù)合材料與混合材料》雜志上，全面介紹了陶瓷折紙結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)程序、材料建模和機(jī)械測(cè)試。

論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-025-01284-3

休斯頓大學(xué)工程團(tuán)隊(duì)采用基于漿料的立體光刻技術(shù)設(shè)計(jì)和制造了Miura-ori陶瓷結(jié)構(gòu)，這是一種3D打印工藝，利用二氧化硅填充的樹脂和紫外線構(gòu)建復(fù)雜的高分辨率形狀。之所以選擇這種復(fù)雜的折紙圖案，是因?yàn)樗鼈兙哂歇?dú)特的機(jī)械優(yōu)勢(shì)，包括多穩(wěn)定性、可調(diào)剛度和拉脹性能。打印完成后，組件經(jīng)過一系列清潔和干燥步驟，然后在高達(dá)1271°C的溫度下進(jìn)行多級(jí)熱燒結(jié)。燒結(jié)工藝去除了聚合物粘合劑，并融合了二氧化硅顆粒，最終形成了致密的承重陶瓷，致密度接近50%。

為了確保燒結(jié)收縮后的尺寸精度，研究團(tuán)隊(duì)在打印前調(diào)整了使用MATLAB和SolidWorks生成的數(shù)字設(shè)計(jì)文件。掃描電子顯微鏡 (SEM) 證實(shí)了成品陶瓷晶格內(nèi)已成功致密化，且晶粒邊界發(fā)育良好。

△折紙結(jié)構(gòu)的組裝及壓縮測(cè)試的說明。圖片來自 Springer Nature Link。

折紙?zhí)沾杀砻嫱坑幸粚颖”〉木鄱�甲基硅氧�?(PDMS)，這是一種廣泛使用的生物相容性有機(jī)硅彈性體，具有柔韌性。研究團(tuán)隊(duì)采用真空輔助浸涂工藝，分兩步固化 PDMS，使其厚度均勻，達(dá)到 75 至100 微米。掃描電鏡 (SEM) 橫截面顯示，彈性體涂層覆蓋了結(jié)構(gòu)的所有表面和褶皺，但仍然停留在表面，并未滲入陶瓷芯。體積分析估計(jì)，復(fù)合材料的 91% 由陶瓷構(gòu)成，與天然珍珠層的結(jié)構(gòu)非常相似，后者采用脆/軟層結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)韌性。

三軸機(jī)械測(cè)試

使用Instron ElectroPuls E3000 系統(tǒng)對(duì)涂層和未涂層​​的折紙樣品在三個(gè)正交方向上進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)。載荷-撓度測(cè)量表明，未涂層陶瓷在低應(yīng)變下會(huì)發(fā)生災(zāi)難性破壞，尤其是在最薄弱的軸向。相比之下，PDMS涂層樣品在破壞前吸收的能量明顯更多。最薄弱的載荷方向表現(xiàn)出最大的韌性相對(duì)改善——這歸因于彈性層實(shí)現(xiàn)了區(qū)域化破壞，從而防止裂紋一次性擴(kuò)展到整個(gè)結(jié)構(gòu)。

SEM 成像進(jìn)一步表明，涂層阻止或減緩了裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致材料呈現(xiàn)出逐步局部失效模式，而非陶瓷材料典型的突然崩塌。在不同壓縮階段拍攝的光學(xué)圖像證實(shí)，涂層折紙?jiān)谖赐繉訕悠肥艿狡茐牡膽?yīng)變下仍能保持結(jié)構(gòu)完整性。

使用ABAQUS/Explicit進(jìn)行有限元分析，并根據(jù)陶瓷（混凝土損傷塑性）和超彈性 PDMS 涂層（Arruda-Boyce 模型）分別定制材料模型。采用單元?jiǎng)h除程序來精確模擬斷裂和分離。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合，表明涂層樣品的應(yīng)力集中較低，損傷累積延遲。網(wǎng)格收斂性已得到驗(yàn)證，最終模型包含近 30 萬個(gè)單元，以確保數(shù)值穩(wěn)定性。

△制作3D 打印的陶瓷 Miura-ori 結(jié)構(gòu)，然后涂覆超彈性涂層。圖片來自 Springer Nature Link。

馮·米塞斯應(yīng)力和最大主應(yīng)變分析表明，PDMS 層將載荷重新分配，使其遠(yuǎn)離脆弱的邊緣和頂點(diǎn)。涂層的存在降低了拉伸和壓縮損傷變量，其中最易產(chǎn)生裂紋的方向的減幅最大。

循環(huán)載荷表明在重復(fù)應(yīng)變下的耐久性

研究人員進(jìn)一步評(píng)估了涂層陶瓷在X方向循環(huán)載荷下的破壞情況，壓縮應(yīng)變高達(dá)1.5%。未涂層結(jié)構(gòu)在該閾值或以下失效，但PDMS涂層樣品經(jīng)受了多次載荷循環(huán)后，峰值力僅略有下降——這表明裂紋橋接和損傷得到控制。循環(huán)載荷模擬證實(shí)了這一趨勢(shì)，并為損傷隨時(shí)間演變提供了更多見解。

研究團(tuán)隊(duì)的方法表明，將復(fù)雜的折紙幾何形狀與3D打印陶瓷和超彈性涂層相結(jié)合，可以產(chǎn)生具有特定應(yīng)用機(jī)械性能的宏觀結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整幾何形狀和材料成分，休斯頓大學(xué)的工程師們開辟了一條通往輕質(zhì)、堅(jiān)韌且生物相容性材料的道路，這些材料適用于假肢、植入物、抗沖擊航空航天部件和機(jī)器人系統(tǒng)。

未來的工作將重點(diǎn)利用算法設(shè)計(jì)和仿真進(jìn)一步優(yōu)化 Miura-ori 單元參數(shù)，以在特定負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)性能最大化。研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù)（例如貝葉斯方法或遺傳算法）將能夠快速識(shí)別出最佳設(shè)計(jì)配置，以應(yīng)對(duì)新的工程挑戰(zhàn)。

△建筑陶瓷結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果。圖片來自 Springer Nature Link。