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3D打印仿生叠层材料研究及生物结构启示

来源：杰呈3D打印发布时间：2025-11-06 13:55:50 浏览次数：0次

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3D打印的方法使研究人员制造具有复杂微观结构的材料成为可能，并已被广泛用于研究结构与力学性能之间的关系及其微观机制。

受天然生物结构材料的启发，本文以短碳纤维增强的尼龙基复合材料，采用3D打印技术制备出具有不同层间夹角的仿生交叉叠层结构样品。将制备的样品在Instron3343材料拉压试验机上进行准静态拉伸实验，最后结合理论分析和有限元数值模拟，对具有不同层间夹角的结构样品的层内、层间应力分布，以及载荷传递方式、结构的强度和吸能特性以及损伤破坏模式等力学行为进行了研究，进而提出了基于仿生交叉叠层结构的力学性能优化策略。

在此基础上，针对3D打印样品的自修复功能进行了探索，专门设计制备了短碳纤维增强的尼龙基复合材料和长碳纤维增强的复合材料，并结合三点弯曲测试对其热修复和微波修复行为进行了对比研究。这些研究结果将为轻量化结构材料的设计和性能优化提供一定的参考依据，同时为结构材料的功能化设计提供思路。本文的研究成果有望在航空航天以及新能源等领域得到应用。

天然生物结构材料概述

经过数亿年的自然选择与生物进化，地球上形成了丰富多彩的生态系统。每一种生物体都由多种生物材料构成，大量的天然生物结构材料内部都具有精细设计的微观结构，使生物体适应了生存环境。

天然生物材料，即自然条件下生成的生物材料，主要包含天然纤维、生物体组织、结构蛋白以及生物矿物等材料。生物体从自然界中获取食物、空气、水分等，在自然环境条件下，以低原子序数的元素（如氢、氧、碳、氮、钙、磷、氯、钠、钾、硫等），合成蛋白质、多糖等有机物和生物矿物质等，进而利用自组装的模式，将这些材料组合形成种类繁多、功能各异的生物结构材料。

一些典型的天然生物结构材料，如贝壳类生物的外壳，由高分子组成的软物质和矿物质形成的硬物质组合而成；动物骨骼和牙齿由矿物质为主要成分组成，具有不同的物理和力学性质，但都保障生物体在形态与功能、环境适应等各个方面的高效运作。

生物结构材料与人造结构材料对比及特性

与人造结构材料相比较，生物材料均具有非常鲜明的特征。

复合材料属性：大多数生物结构材料都属于复合材料，都由不同物质组成。
多层次层级结构：生物结构材料表现出从宏观到微观的多层次的层级结构。贝壳有2到3级的层次结构，骨骼有7级的层次结构。这些复杂的层级结构，分别对应着某些不同的功能，不同尺度的协调也对一些性质与功能的实现有关键作用。
结构优化：生物结构材料在各个层次上实现了结构优化，体现在各级结构的几何特性、成分、功能梯度等方面，因此同种生物结构材料也可能同时具有多方面功能。生物结构材料的优化是以有利于生存为目标，同时兼具自我调节和损伤修复等功能。

生物结构材料对仿生学的意义

生物材料的这些特性为仿生学的发展提供了创新源泉，在材料选取和性能改进以及结构优化等方面提供了一系列可参考的依据。而实现仿生的关键问题是如何解读生物结构的奥妙，从而最终能够在先进人工材料和结构的设计方面获得应用。

生物结构材料的分类与力学性能

生物结构材料的种类很多，但是几乎所有的生物结构材料的组分大多相同，都由多种物质构成，因此生物材料属于复合材料。对生物结构材料有多种不同的分类方法，Ashby等人将天然生物材料分为天然陶瓷和陶瓷基复合材料、聚合物和聚合物基复合材料、弹性体、多孔材料四种类型。并且他们以弹性模量作为横轴，断裂韧性作为纵轴，将生物材料力学性能的变化范围绘于坐标系内，清晰展示不同种类生物材料的力学特点。