三维打印多孔布利冈结构聚合物板材的拉伸性能

《Macromolecular Materials and Engineering》：Tensile Properties of 3D-Printed Porous Bouligand Structured Polymer Plates

　　

天然布利冈（Bouligand）结构的独特构型使低密度材料得以实现高强度与高韧性。本研究受鼓虾（snapping shrimp）指节活塞（dactyl plunger）启发，关注多孔布利冈结构聚合物（porous Bouligand-structured polymers, PBSP）的拉伸性能。试样采用Tough 2000树脂经立体光刻（stereolithography, SLA）打印而成，螺距角（pitch angle）范围为10°–90°，纤维间距（fiber spacing）为0.5–1.25 mm，所得孔隙率（porosity）为0.29–0.48，表观密度（apparent density）为0.56–0.78 g/cm³。拉伸试验依据ASTM D638-22标准执行，并辅以有限元分析（finite element analysis, FEA）以解析变形与应力分布的对应关系。拉伸模量（tensile modulus）与强度均随螺距角呈非单调变化，于30°处达峰值并在90°处部分恢复；减小纤维间距（0.5 mm）可持续改善载荷传递，使强度较高度多孔（1.25 mm）对应试样提升35%–40%。此外，比性能（specific properties）展现出优异的刚度-重量比与强度-重量比效率，且比模量与比强度之间呈近线性标度关系。Ashby图揭示PBSP占据低密度带，其刚度同时高出典型聚合物泡沫2–10倍，强度高出10–50倍，并接近轻质纤维增强复合材料（fiber-reinforced composites）的比性能。此项混合实验-数值研究为PBSP拉伸性能的优化奠定基础，并证明通过几何设计可实现力学行为的可调控性。

本研究发表于《Macromolecular Materials and Engineering》，聚焦于受生物启发的多孔布利冈结构聚合物（PBSP）在单轴拉伸载荷下的力学行为调控机制。布利冈结构作为自然界中广泛存在的结构基元，以其独特的螺旋层状纤维排布实现了强度、韧性与轻质化的协同。该结构最早由Bouligand于1970年在蟹类等节肢动物外骨骼中发现，表现为甲壳质-蛋白质纤维层级排列并经逐渐旋转形成的螺旋 plywood 状构型。鼓虾指节活塞的多孔布利冈结构更将孔隙率与机械特性耦合，兼具隔热与损伤容限功能。然而，既有研究多集中于冲击抗性与压缩强度，PBSP在单轴拉伸下的力学响应及螺距角与孔隙率的耦合效应尚属空白，本研究正是针对这一知识缺口而展开。

研究人员系统考察了螺距角（10°、20°、30°、45°、90°）与纤维间距（0.5–1.25 mm，对应孔隙率0.29–0.48、表观密度0.56–0.78 g/cm³）对PBSP拉伸性能的影响。研究结果表明，拉伸模量与强度随螺距角呈非单调变化，于30°处达峰值并在90°处恢复至相当水平；减小纤维间距可显著提升载荷传递效率，0.5 mm间距试样较1.25 mm间距试样强度提升35%–40%。比模量与比强度随密度呈线性标度关系，低密度配置仍保持优异的结构效率。Ashby图分析显示，PBSP同时较同类密度聚合物泡沫的刚度高2–10倍、强度高10–50倍，并逼近轻质纤维增强复合材料的比性能区间。有限元分析（FEA）预测与实验结果高度吻合（Pearson相关系数r > 0.90，决定系数R² > 0.89），验证了建模方法作为PBSP设计优化预测工具的有效性。该研究建立了PBSP拉伸性能优化的基础框架，揭示了几何参数对力学行为的调控规律，为航空航天、汽车及防护工程等需要兼顾轻质、高刚度-重量比与冲击抗性的应用领域提供了新型仿生材料设计范式。

在关键技术方法层面，研究人员采用Formlabs Form 3立体光刻（SLA）打印机（85 μm激光光斑、50 μm层厚分辨率）及Tough 2000光敏树脂制备试样，试样尺寸遵循ASTM D638-22标准IV型几何；力学测试使用Instron 3369万能试验机（10 kN载荷传感器，十字头速度5 mm/min）；有限元模拟采用ABAQUS/Standard 2021软件，基于C3D8R八节点线性六面体单元建立模型，材料参数取自实体试样的实测数据（弹性模量1.15 GPa、泊松比0.38、密度1.09 g/cm³）。

研究结果部分包含以下关键发现：

物理特性：表2数据表明，纤维间距是决定孔隙率与表观密度的主导因素，孔隙率随纤维间距从0.5 mm的0.2929增至1.25 mm的0.4824，表观密度相应从0.7849降至0.5664 g/cm³；变异系数（CV）均低于1%，证明SLA工艺具有高重现性。

载荷-时间响应：图3展示了30°螺距角下纤维间距对拉伸行为的影响。随纤维间距减小，最大载荷从300 N（1.25 mm）近线性增至470 N（0.5 mm），降幅约40%；弹性区斜率增大反映刚度提升，且所有试样均呈现延性断裂特征。

拉伸模量与强度：图4a、c的实验数据显示，拉伸模量（E）于30°处达峰值（约1000 MPa），45°降至最低（约600 MPa），90°恢复至1050 MPa；纤维间距从0.5 mm增至1.25 mm导致模量降低约40%。拉伸强度（σ_UTS）呈现同步趋势，30°处最优（12 MPa），90°处达最大值（12.5 MPa），45°处最低（11.5 MPa，0.5 mm间距）。FEA预测略高估5%–8%，但趋势一致（r = 0.94，R² = 0.89）。

比性能标度关系：图5a–c显示，比模量（E/ρ）与比强度（σ_UTS/ρ）均与表观密度呈正相关，且两者之间存在强线性相关（R² ≈ 0.89–0.95），表明刚度与强度在PBSP中直接成正比；0.5 mm间距试样聚类于高性能区（比强度14–16 MPa/(g/cm³)，比模量1800–2000 MPa/(g/cm³)），1.25 mm间距试样则处于低性能区。

归一化性能对比：图6a、b将PBSP与多种胞元结构（BCC、FCC、蜂窝、octet truss、TPMS等）对比。PBSP的归一化拉伸模量（E/E_s·ρ/ρ_s）处于0.26–0.43（52%–72%相对密度），接近理想拉伸主导模型，优于弯曲主导的BCC/FCC点阵与蜂窝结构；归一化强度（σ/σ_s·(ρ/ρ_s)ⁿ）为0.20–0.28，与TPMS结构轨迹相近，但逊于优化拉伸主导点阵。这表明布利冈架构虽能有效分散轴向载荷实现高刚度，但因应力集中呈弯曲主导变形模式，强度-重量比尚不及最优桁架型胞元固体。

方差分析验证：表3单因素方差分析（ANOVA）确认螺距角与纤维间距对所有拉伸性能指标均有显著影响（p < 0.001）。纤维间距对绝对强度影响更大（F = 75.82），而螺距角对比性能的调控效应更显著（比模量F = 96.90，比强度F = 154.46），证实结构本身而非仅密度控制重量归一化效率。Tukey事后检验确定30°/0.5 mm配置为最优设计。

研究结论部分系统总结了PBSP的力学行为规律与调控机制。孔隙率随纤维间距从0.29增至0.48，SLA的高几何精度实现了密度与内部架构的系统调控。拉伸承载能力对螺距角高度敏感，30°处达最大值，0.5 mm间距试样较1.25 mm间距承载力高35%–40%。弹性模量与强度的非单调变化反映了结构各向异性的影响，30°与90°表现最优，45°最低，源于纤维-加载方向对齐度差异。比性能与密度的线性标度关系（R² ≈ 0,89–0.90）表明，最大化材料连续性是实现最优重量归一化性能的最佳途径。FEA预测与实验趋势高度一致（r ~ 0.97），4%–6%的高估归因于理想化假设与制造缺陷。在0.56–0.78 g/cm³表观密度下，PBSP占据低密度材料的未开发性能空间，刚度与强度分别约为同类密度聚合物泡沫的2–10倍与10–50倍，构成随机胞元固体与设计复合材料之间的过渡材料类别。研究亦指出局限：仅采用单一树脂体系限制了材料组成的普适性；宏观失效分析缺乏微观结构/SEM裂纹路径证据；未来需考察全螺旋周期试样以捕捉周期性行为，并探索纤维截面变化等附加设计参数。

翻译研究结论如下：

PBSP的机械性能由螺距角与纤维间距（孔隙率）两个基本设计参数控制。该研究采用系统的实验与有限元分析方法，证明螺距角与纤维间距可协同影响仿生结构的拉伸强度、刚度与结构效率。主要结论如下：孔隙率随纤维间距从0.29增至0.48（表观密度从0.78 g/cm³降至0.56 g/cm³）；SLA的高几何精度可实现密度与内部架构的系统调控。拉伸承载能力对螺距角高度敏感并于30°处达最大值，该优化状态下0.5 mm试样较1.25 mm试样承载力高35%–40%，表明螺旋取向与孔隙率控制对实现高承载能力均至关重要。弹性模量与强度的非单调变化反映结构各向异性效应，30°与90°表现最优，45°最低，可能因纤维方向与加载方向对齐度较低所致。密度归一化揭示，比机械性能与密度呈线性标度（R² ~ 1.0），致密配置（0.5 mm间距）的比强度较高孔隙率配置高约15%–20%，表明最大化材料连续性是该架构实现最优重量归一化性能的最佳选择。FEA成功预测实验观测到的力学响应趋势（r ~ 0.97），尽管对这些性能数值存在4%–6%的高估（归因于制造缺陷与理想化完美层间结合假设），结果确认了所提出建模方法作为PBSP预测工具的可靠性。在0.56–0.78 g/cm³表观密度下，PBSP占据低密度材料的未开发性能空间，刚度与强度约为同类密度典型聚合物泡沫的2–10倍，可视为随机胞元固体与设计复合材料之间的过渡材料类别。研究仅使用单一树脂体系（Tough 2000），可能限制结果对材料组成的普适性；此外，失效分析为宏观性质，微观结构/SEM裂纹路径证据未涉及，系未来研究方向。未来应考察全螺旋周期试样以充分捕捉周期性行为，尤其针对30°以下螺距角；采用双光子聚合或多材料打印等方法可能提升厚样件的几何精度。本工作刻意聚焦螺距角与孔隙率效应，纤维截面变化是另一重要未来方向，因其可将纤维厚度的几何效应与孔隙率及螺距角效应解耦，从而单独揭示纤维尺寸对刚度、强度及失效机制的影响。该研究表明，具有布利冈架构的多孔聚合物可通过螺距角与孔隙率的耦合优化展现可调控的刚度与强度及优异结构效率，所述材料类别可能代表新型仿生材料家族，桥接天然布利冈系统的高效率与复合材料的近工程化性能，为需要同时满足低质量、高刚度-重量比及抗冲击性的航空航天、汽车与防护工程系统提供轻质且耐损伤的结构材料。