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  目前應用于吸能防護領(lǐng)域的輕質(zhì)材料普遍面臨一經(jīng)制備其幾何形狀和力學性能即被固定的難題。織物基材料，包括編織或互鎖結(jié)構(gòu)，具有自適應特性，可有效地適應復雜幾何形狀，然而其力學性能較差。因此，迫切需要開發(fā)具有優(yōu)異力學性能的輕型織物基材料，這將是邁向下一代形狀自適應防護材料的重要一步。

  近期，新加坡南洋理工大學周琨教授課題組首次提出并制造了由三維內(nèi)凹結(jié)構(gòu)單元以交錯排列模式拓撲互鎖而成的雙面結(jié)構(gòu)織物（圖1）。三維內(nèi)凹結(jié)構(gòu)單元由桿件直徑d、邊長a和內(nèi)凹深度m三個幾何參數(shù)定義，為防止單元桿件的重疊及內(nèi)凹結(jié)構(gòu)特性的缺失，對幾何參數(shù)提出較高要求。在本工作中，該結(jié)構(gòu)織物是采用惠普多射流熔融（Multi Jet Fusion，MJF）技術(shù)由聚酰胺12（PA12）材料打印， 分別設(shè)置d，a，m為1，10，0.3 mm（圖 1a）。由于該結(jié)構(gòu)織物上下表面的單元排列模式不同，從而具有雙面結(jié)構(gòu)特征（圖1b）。該雙面結(jié)構(gòu)織物具有高度的柔性，可以折疊、垂墜和卷起，且卷起之后可進一步收縮30%以便儲存。施加真空圍壓后，該織物可以承受超過其自身質(zhì)量25倍的載荷（圖1c）。由于三維內(nèi)凹結(jié)構(gòu)單元及其獨特的拓撲互鎖模式的協(xié)同強化，該雙面結(jié)構(gòu)織物具有突出的比強度和比吸能，以及優(yōu)異的變形恢復率，突破了強度與變形恢復性之間的對立（圖2）。此外，當在該結(jié)構(gòu)織物的邊界施加90 kPa的真空圍壓時，其比彎曲模量可提高67倍。新穎的互鎖模式在該雙面結(jié)構(gòu)織物的上下表面分別引入了平面接觸區(qū)域和點接觸區(qū)域，導致分別加載該織物上下表面時的彎曲模量不同，從而提高了改變真空圍壓調(diào)整結(jié)構(gòu)彎曲模量的精度和范圍。

  與目前的可穿戴材料相比，所提出的雙面結(jié)構(gòu)織物具有顯著提高的力學性能和形狀自適應性（圖3），其優(yōu)異的能量吸收能力，推動了具有防護能力的輕型智能服和防止二次損傷的先進康復服的開發(fā)，其高度的形狀自適應能力可以使個人，如宇航員或現(xiàn)場救援人員，快速創(chuàng)建任何形狀的工具，并在資源稀缺的條件下根據(jù)需求調(diào)整其比強度、比彎曲模量和比吸能。值得說明的是，盡管該雙面結(jié)構(gòu)織物在本工作中是通過MJF技術(shù)采用PA12材料打印，但在增材制造技術(shù)快速發(fā)展的背景下，該結(jié)構(gòu)織物可以根據(jù)應用需求通過其他技術(shù)和材料制造。例如，對于在超高強度、高溫和/或形狀自適應防護領(lǐng)域的應用，可以使用鎳基高溫合金打印該雙面結(jié)構(gòu)織物。這項研究工作利用增材制造技術(shù)提供的設(shè)計自由度，將結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計及其排列模式的創(chuàng)新結(jié)合起來，使吸能防護材料兼具獨特的結(jié)構(gòu)特性和優(yōu)異的力學性能，即彌補了現(xiàn)有防護材料的不足，也擴大了織物基材料在形狀自適應防護領(lǐng)域的應用，如輕質(zhì)防護服、醫(yī)療支持、精密組件的包裝，以及軍事和航空航天安全設(shè)備等。

圖 1. 雙面結(jié)構(gòu)織物的設(shè)計和打印原型。

圖2. 雙面結(jié)構(gòu)織物與其他吸能防護材料力學性能的比較。

圖3. 雙面結(jié)構(gòu)織物與其他可穿戴材料的性能比較及其在形狀自適應防護領(lǐng)域的應用。 

  新加坡南洋理工大學周琨教授課題組依托于惠普-南洋理工大學數(shù)字制造聯(lián)合實驗室和新加坡3D打印中心，長期從事多種增材制造技術(shù)（3D打�。┭芯浚绶勰┤廴冢∕JF、SLM、SLS）、光固化（DLP、SLA）、墨水直寫（DIW）、擠出成型（FDM）等。目前聚焦于功能聚合物復合材料及高性能新金屬材料研發(fā)、先進結(jié)構(gòu)設(shè)計和多尺度模擬仿真、增材制造零件宏微觀力學性能表征及其應用等。

  原文鏈接：http://doi.org/10.1002/advs.202301567