剪切變硬彈性體（Shear-Stiffening Elastomer, SSE）因其獨特應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和優(yōu)異的可調(diào)控力學(xué)性能，近年來在柔性防護(hù)材料領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。然而，受制于傳統(tǒng)制備工藝，現(xiàn)有SSE材料大多局限于各向同性體系，導(dǎo)致其在準(zhǔn)靜態(tài)載荷下斷裂韌性不足和在動態(tài)載荷下失效閾值較低，嚴(yán)重制約了其在實際工程中應(yīng)用潛力。因此，如何突破各向同性系統(tǒng)的局限，實現(xiàn)SSE復(fù)合材料在宏觀或多尺度層面的各向異性結(jié)構(gòu)設(shè)計，已成為推動該類材料實現(xiàn)高性能化與智能化應(yīng)用的重要科學(xué)問題。
圖1.基于混合式3D打印策略的仿生晶格結(jié)構(gòu)軟硬相TPR-SSE復(fù)合材料及其智能化應(yīng)用
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授團(tuán)隊突破傳統(tǒng)制備工藝限制，受自然界軟硬相晶格結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，創(chuàng)新性地提出混合式3D打印策略，成功實現(xiàn)剪切變硬彈性體的各向異性結(jié)構(gòu)設(shè)計，研制出兼具高強(qiáng)度與優(yōu)異緩沖性能的晶格結(jié)構(gòu)軟硬相復(fù)合材料。相關(guān)成果以“Hybrid Additive Manufacturing of Shear-Stiffening Elastomer Composites for Enhanced Mechanical Properties and Intelligent Wearable Applications”為題，發(fā)表在國際著名材料科學(xué)類期刊《Advanced Materials》上。
圖2.TPR-SSE復(fù)合材料的沖擊防護(hù)性能
本研究提出了一種創(chuàng)新性的混合式3D打印策略，精準(zhǔn)實現(xiàn)了軟硬相復(fù)合結(jié)構(gòu)的可定制化設(shè)計。該策略巧妙融合“熔融沉積成型”（Fused Deposition Modeling, FDM）和“直墨書寫成型”（Direct Ink Writing, DIW）兩種3D打印技術(shù)，為軟相粘彈性剪切變硬彈性體（SSE）引入具有優(yōu)異準(zhǔn)靜態(tài)承載能力與熱穩(wěn)定性的硬相熱塑性橡膠（TPR）晶格骨架，成功研制出一種具有仿生軟硬相晶格結(jié)構(gòu)的TPR-SSE復(fù)合材料。研究團(tuán)隊通過系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)與動態(tài)力學(xué)實驗，并輔以光學(xué)原位測量與有限元數(shù)值模擬分析，深入揭示了TPR-SSE復(fù)合材料中仿生軟硬相晶格結(jié)構(gòu)的力學(xué)增強(qiáng)機(jī)制。研究表明，硬相晶格TPR骨架為復(fù)合材料提供了堅固的準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)構(gòu)支撐并顯著抑制整體失效，而粘彈性軟相SSE憑借獨特的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)能夠為復(fù)合材料耗散沖擊動能。該軟硬相協(xié)同的晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅顯著提升了復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的承載能力，同時大幅提高了在動態(tài)沖擊載荷下的失效閾值。進(jìn)一步地，研究發(fā)現(xiàn)具有較低正泊松比的蜂窩晶格結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，能夠有效調(diào)控軟相SSE的局部應(yīng)力集中，降低界面剝離與橫向失穩(wěn)風(fēng)險，從而實現(xiàn)最優(yōu)化的力學(xué)增強(qiáng)效果。
基于蜂窩晶格結(jié)構(gòu)TPR-SSE復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能，研究團(tuán)隊充分發(fā)揮該混合式3D打印技術(shù)在結(jié)構(gòu)可定制化方面的優(yōu)勢，進(jìn)一步將復(fù)合材料與深度學(xué)習(xí)算法驅(qū)動的無線傳感模塊集成，成功開發(fā)出兼具實時步態(tài)傳感、識別與個性化預(yù)警功能的新型智能運動鞋。該智能可穿戴設(shè)備在復(fù)雜載荷下展現(xiàn)出優(yōu)異且穩(wěn)定的力學(xué)響應(yīng)與動態(tài)傳感性能，充分驗證了TPR-SSE復(fù)合材料在運動防護(hù)、智能健康監(jiān)測等前沿應(yīng)用領(lǐng)域中的廣闊前景。
圖3.深度學(xué)習(xí)算法驅(qū)動的智能化應(yīng)用
綜上，研究團(tuán)隊提出了一種基于混合式3D技術(shù)的剪切變硬彈性體復(fù)合材料研制工藝，通過仿生軟硬相晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計顯著提升了材料在準(zhǔn)靜態(tài)載荷與動態(tài)沖擊載荷下的綜合力學(xué)性能。憑借該材料體系優(yōu)異的結(jié)構(gòu)可定制性，研究團(tuán)隊面向智能穿戴領(lǐng)域成功開發(fā)了實用化樣機(jī)，突破了傳統(tǒng)剪切變硬材料在復(fù)雜工況應(yīng)用中的性能瓶頸，為高性能柔性防護(hù)材料與新一代智能可穿戴設(shè)備的融合設(shè)計提供了新的研究思路與技術(shù)支撐。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院碩士研究生楊俊杰為論文第一作者，龔興龍教授和趙春宇特任副研究員為通訊作者。合作者包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士研究生賴樹羽與王東鵬。該工作得到國家自然科學(xué)基金、博士后創(chuàng)新人才支持計劃、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金及安徽省自然科學(xué)基金的資助與支持。
原文鏈接：Yang JJ,Zhao CY*,Lai SY,Wang DP,Gong XL*,Hybrid Additive Manufacturing of Shear-Stiffening Elastomer Composites for Enhanced Mechanical Properties and Intelligent Wearable Applications. Advanced Materials,202419096,2025.
