《Journal of Materials Research and Technology》：Structural Integrity and Mechanical Characterization of Novel Lightweight Bio-Inspired Composite Sandwich Panels Additively Manufactured Using Multi Jet Fusion
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本研究探究了新型仿生三明治结构在准静态面外压缩载荷作用下的力学性能。研究人员采用多射流熔融（Multi Jet Fusion, MJF）技术，以添加40 wt%玻璃微珠的PA12材料制备了轻量化波纹芯体。该设计灵感来源于栎树壳斗（oak tree cupule
本研究探究了新型仿生三明治结构在准静态面外压缩载荷作用下的力学性能。研究人员采用多射流熔融（Multi Jet Fusion, MJF）技术，以添加40 wt%玻璃微珠的PA12材料制备了轻量化波纹芯体。该设计灵感来源于栎树壳斗（oak tree cupules）的自然几何形态以及轻木（balsa wood）面板的结构特征。通过系统的实验研究，考察了关键几何参数——包括波纹高度、直径和壁厚——对压缩行为的影响。所有仿生试样在最大压缩载荷（Maximum Compressive Load, MCL）、吸收能量（Absorbed Energy, E）和比吸收能量（Specific Absorbed Energy, SAE）方面均显著优于生物基参照面板（BioCom）。性能最优的设计方案Bio-Ins 1，其最大压缩载荷提升至参照组的4倍，能量吸收提升至8倍，比吸收能量提高超过2倍。增加波纹高度使峰值载荷提升75%，比吸收能量翻倍；扩大芯体直径使峰值载荷翻倍，总能量吸收提升至2.75倍；而增加壁厚则额外带来10%的载荷容量提升和36%的能量吸收增长。失效分析揭示了五阶段渐进变形序列：初始层间分离与微裂纹萌生、伴随径向鼓胀的塑性屈曲、混合模式裂纹扩展、大范围芯体压溃以及最终破碎。这些结果表明，力学响应主要由结构参数而非材料成分所主导。本研究凸显了几何驱动设计在开发面向先进结构应用的吸能轻量化三明治面板中的有效性。
本研究聚焦于仿生复合夹层结构的力学性能优化，发表于《Journal of Materials Research and Technology》。研究团队针对当前工程领域对轻量化高能量吸收结构的迫切需求，系统开展了一项从天然生物材料向人工可控结构转化的创新研究。
研究背景方面，复合夹层结构因其轻质、高刚度-重量比及高强度等优异力学特性，已在航空航天、交通运输等工程领域获得广泛应用。该类结构的核心材料——包括泡沫、蜂窝、天然填料、波纹结构及轻木等——作为三明治构型中的基础承载元件，对整体性能具有决定性影响。近年来，仿生策略通过借鉴自然界经亿万年进化优化的结构形态，为提升结构效率提供了新途径。能量吸收能力作为关键性能指标，已成为仿生结构设计的重要目标。此前研究已探索了鸟类羽毛、竹分级蜂窝、螳螂虾锤节等多种仿生构型，证实了生物灵感设计在改善力学性能方面的潜力。增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术与仿生理念的融合，更是展现出制造高性能结构件的巨大前景。
Taghizadeh等研究人员的前期工作首次验证了天然栎树壳斗作为轻量化三明治芯体、配合轻木面板的结构潜力，发现壳斗排列方式和泡沫填充可显著提升压缩载荷容量和能量吸收。然而，这类完全基于生物材料的体系受制于脆性断裂、峰值后急剧软化及耐久性不足等缺陷，限制了其在苛刻结构环境中的适用性。基于此，本研究将概念从天然生物基组装体推进至整体化制造的仿生三明治架构，采用多射流熔融技术实现一体化成型，核心创新在于将栎树壳斗的高效承载层级特征转化为可精确控制的增材制造设计，并系统建立主要几何变量对压缩响应的定量影响规律。
研究人员开展研究时采用的关键技术方法包括：以多射流熔融增材制造技术制备整体化试样，芯体与面板均采用添加40 wt%玻璃微珠的尼龙PA12基体材料；设计六组不同几何参数的仿生夹层板，通过改变波纹外高度（H
o）、内高度（H
i）、壁厚（T
c）、外直径（D
o）及内直径（D
i）进行参数化研究；采用准静态面外压缩实验，以2 mm/min恒定横梁位移速率进行力学测试，开展至少三次重复实验确保数据可靠性；结合载荷-位移曲线分析、能量吸收计算及失效序列观察，系统评估结构响应与损伤演化规律。
研究结果部分，"总体结构响应"显示，仿生三明治面板在准静态面外压缩下呈现典型的弹性-屈曲-损伤演化-最终失效序列。以Bio-Ins 1试样为例，初始线性段反映弹性行为，随后达到峰值载荷并引发欧拉型整体屈曲，继而芯体及芯-面板界面处萌生并扩展微裂纹，形成载荷-位移曲线平台区，表征内部能量耗散与非线性变形的开始，此阶段芯体显著折叠，完成从整体屈曲到局部屈曲的转变并伴随内部应力重分布，最终因裂纹快速扩展和结构软化导致承载能力显著下降直至完全破坏。
"仿生与生物质样本的结构性能对比"表明，在相同尺寸和加载条件下，仿生面板Bio-Ins 1的峰值载荷（35.75 kN）达到生物基对照样本的4倍以上，位移15 mm内吸收能量（371.2 J）约为对照样本（54.6 J）的8倍，比吸收能量（4.86 J/g）翻倍。生物基样本呈现弹性阶段后突发的脆性断裂和灾难性失效，而仿生面板则通过延性芯体和几何架构实现应力分散和能量耗散。
"芯体波纹高度的影响"研究发现，最大波纹高度试样Bio-Ins 1的峰值载荷较Bio-Ins 3提高约40%、较Bio-Ins 4提高75%。能量吸收方面，Bio-Ins 1分别较Bio-Ins 3和Bio-Ins 4多吸收60%和120%的能量。比吸收能曲线证实，增加波纹高度通过更大的有效截面深度提升整体刚度、延迟屈曲发生，并延长渐进失效历程，从而显著增强能量吸收潜力。
"芯体波纹直径的影响"研究表明，最大直径芯体Bio-Ins 1的峰值载荷（约35 kN）显著高于中等直径Bio-Ins 5（约27 kN）和最小直径Bio-Ins 6（约18 kN）。能量吸收呈并行趋势，Bio-Ins 1的终值能量吸收接近Bio-Ins 6的两倍。较大直径通过更大的有效截面积实现更均匀的应力分布、延迟局部屈曲，使渐进失效机制得以充分发展。
"芯体波纹厚度的影响"研究显示，较厚壁试样Bio-Ins 1的峰值载荷（约35 kN）比较薄壁Bio-Ins 2（31.96 kN）高约12%，总能量吸收和比吸收能分别提升36%和16%。增加壁厚通过提高结构刚度和临界屈曲门槛来延迟局部失稳发生，促进更均匀的应力分布。
讨论部分，研究人员系统总结了各参数影响的内在机理。波纹高度通过增加有效截面深度和应力分布均匀性来全局性地提升刚度和稳定性；波纹直径通过扩大有效承载面积和优化载荷传递路径来增强结构效率；壁厚则通过提高局部刚度、抑制过早屈曲来贡献于承载能力。特别重要的是，所有仿生试样在保持相同材料体系的前提下，仅通过几何调控即实现了性能的数倍提升，这强有力地证明了"建筑参数优于材料成分"的设计原则。损伤演化观察揭示了五阶段失效机制：初期芯-面板界面处的层间分离与微裂纹萌生于上部芯-面板连接区域，该区域作为相对刚硬面板与较易变形锥壁之间的关键过渡带，局部应力集中和弯曲变形易在此发展；随着压缩进行，锥壁上端发生塑性变形和轻微外向径向鼓胀，标志着局部失稳的开始；继而径向鼓胀加剧，高变形连接区域附近形成局部裂纹，源于压缩、倾斜壁面弯曲及外向变形所致局部应力集中的复合作用；随后损伤在相邻芯体元件间非均匀分布，部分锥体严重变形开裂而其余相对完好，锥壁逐渐丧失稳定性，局部屈曲伴随上部连接区域及变形壁面区裂纹扩展，此阶段可描述为局部屈曲、塑性弯曲、裂纹萌生和渐进壁面坍塌的耦合过程；进一步压缩导致显著芯体压溃和壁面折叠，单个锥元件的承载能力随壁面内外坍塌并与邻近损伤区接触而逐渐降低，渐进压溃通过允许变形在更大位移范围内持续进行而贡献于能量耗散；最终阶段达到锥芯的大范围坍塌，严重压碎、可见开裂、局部碎裂及原始波纹架构的丧失，主要承载路径大体中断，面板无法维持结构完整性。这一序列表明，仿生几何通过渐进变形和分散能量耗散有效延缓了突发失效，芯-面板连接区始终是损伤起始的关键区域。
研究结论指出：以添加玻璃微珠的PA-12为材料、采用增材制造制备的栎树壳斗仿生三明治面板，在准静态面外压缩下展现出远超天然生物基对照样本的优异性能。最优构型Bio-Ins 1的峰值载荷达35.75 kN，约为BioCom的4倍；吸收能量近8倍于对照样本，比吸收能量提升124%。系统变化波纹高度、壁厚和直径被证明具有决定性作用：提高波纹高度使峰值载荷增加75%、比吸收能量翻倍以上；扩大波纹直径使峰值载荷从17.92 kN增至35.75 kN、总能量吸收增至3倍；增厚壁厚进一步带来10%的峰值载荷提升和36%的能量吸收增益。卓越性能源于五阶段损伤时序：早期芯-面板界面层间分离与微裂纹萌生、伴随径向鼓胀和局部颈缩的塑性变形、圆周向与剪切裂纹协同扩展并在相邻锥体间非均匀分散损伤、大范围芯体压溃伴随壁面坍塌和严重塑性鼓胀导致刚度侵蚀、以及深层纵向裂纹扩展和裂纹触发弹射标志完全结构坍塌。定量性能增益与清晰化的失效序列共同表明，精细调控壳斗仿生几何并辅以强健的芯-面板界面，是创建能够以可控渐进方式吸收大量能量的轻量化三明治结构的有力策略。
