同济大学顶刊：3D打印仿生碳纤维增强复合材料夹层结构

土木工程、航空航天、交通运输等多个领域对具有高能量吸收能力的轻质复合材料结构的需求不断上升。在结构上设计微观结构是提高其机械性能或开发新功能的有效方法。为了进一步增强能量吸收能力，研究人员更加关注分层或分形仿生结构。

通过3D打印技术制造的仿生复杂分层复合结构表现出优异能量吸收能力。研究发现，利用聚乳酸（PLA）FDM3D打印双级蜂窝结构与普通蜂窝结构相比，最佳蜂窝结构的比能量吸收值增加了45.6%；基于三周期最小表面（TPMS）的轻质晶格结构的3D打印也获得了研究，通过集成陀螺仪和金刚石表面结构的孪晶边界，进一步提高了TPMS结构的负载能力。晶格结构还表现出不寻常的特性，可以指导具有受控刚度的机械超材料的设计。

当使用纤维增强复合材料时，结构的机械性能可以进一步增强，但提高轻质碳纤维增强复合材料结构的能量吸收能力对其进一步工程应用至关重要。同时，仿生结构与传统的工程结构相比，该结构表现出优异的机械性能。许多天然植物和动物都具有基于内部分层结构，使它们具有高抗冲击特性，例如骨、腱、马尾和竹子。模仿这些结构的设计也成为如今研究的重点。

3D打印技术参考注意到，同济大学航空航天与力学学院的研究团队设计了基于弧形、圆形和六边形最基本形状单元的三种仿生分层结构，生成了具有不同结构比例的蛇形、竹形和蜂窝形分形结构。这些结构采用3D打印技术制造，并通过实验和数值模拟评估了能量吸收能力。研究团队以“3D printed bio-inspired self-similar carbon fiber reinforced composite sandwich structures for energy absorption”为题在复合材料领域Top期刊《Composites Science and Technology》发表了论文。

仿生分层分形结构的设计：蜂窝、竹子、蛇状细胞和自相似结构

3D打印的分层分形结构

蜂窝、竹子和蛇状细胞分层自相似结构的仿生分形均质细胞吸能过程的实验与模拟比较

研究团队选择吸能性能最好的自相似结构进行夹层复合材料结构的设计。在自相似复合材料夹层结构的研究中，探索了七单元阵列形式的竹夹芯复合结构的能量吸收能力。复合材料夹层结构由两块CFRP板和夹在它们之间的复合材料芯材组成。该面板采用碳纤维增强环氧树脂预浸料铺层热成型，厚度为1毫米。研究人员构建了以短碳纤维为增强体、以尼龙为基体的复合材料，具有优异的抗压缩变形能力。此类组件材料比其他3D打印预浸料具有更好的工程应用潜力。Onyx复合材料预浸线的密度为1.2g/cm3，压制模量为768 MPa，泊松比为0.3，屈服强度为21MPa ，每层打印厚度设定为0.1毫米。CFRP面板使用环氧树脂粘合到芯材的两侧。共制造了三种结构，然后在300°C的烘箱中加热6小时，因此这种复合夹层结构由于良好的CFRP板/芯界面粘合性能而保持了结构完整性。

基于竹分形晶格的分层自相似复合夹层结构的能量吸收机制。(a) CFRP 面板和夹芯板构件(b) 压缩过程的变形机制(c) 力-位移曲线(d)压缩载荷下的损伤形式

根据目前的分析，与蛇形分形结构相比，蜂窝和竹子分形结构表现出优越的能量吸收能力。此外，竹子分形结构具有最高的能量吸收能力。数值结果表明，具有七个单元的竹子分形结构有效地代表了具有单元阵列的自相似结构的能量吸收能力。最终，3D打印的自相似复合夹层结构作为轻质吸能结构展现出巨大的潜力。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110453