3D打印皮皮虾仿生结构，拥有令人难以置信的韧性

2022年7月15日，来自深圳高性能材料增材制造重点实验室和南方科技大学的一组研究人员从大自然的皮皮虾（螳螂虾）得到灵感，尝试3D打印出具有仿生结构的增韧陶瓷复合材料。

具有抗破坏特性的陶瓷复合材料需求量很大，因为韧性是各种工业应用的一个关键要求。这些材料还倾向于提供化学和机械稳定性的组合，使它们能够应用于从汽车和航空航天到能源系统的一切领域。

不幸的是，由于模具制造的限制，今天的许多传统陶瓷复合材料加工技术，如冰模铸造或冷冻铸造，无法创造出具有复杂和定制几何形状的部件。

研究团队现在正在探索如何将从螳螂虾中发现的保护结构与数字光处理（DLP）3D打印技术结合起来，创造出几何形状复杂的陶瓷复合材料部件。

△螳螂虾。照片来自加州大学伯克利分校的Roy L. Caldwell。

螳螂虾有什么特别之处？

螳螂虾，也被称为皮皮虾，口足类动物，是一种小型多色海洋甲壳类动物。它们因其好斗的天性和标志性的拳头状附属物而闻名，这种附属物被称为双叉肢节。

这种内置的武器被用来粉碎和杀死硬壳猎物，如螃蟹和蜗牛，以令人难以置信的力量移动，甚至可以突破最具保护性的外壳。事实上，人们相信双钳的加速度可以达到10,000克，产生的冲击力与0.22口径的子弹速度相当。

但是，是什么使它们如此耐用？双叉肢节具有双连续结构，帮助它们吸收冲击力，并过滤掉破坏性的剪切波，而不会出汗。有机物由甲壳素制成，这是一种常见于昆虫和甲壳类动物外壳的化合物，而无机相则由无定形的磷酸钙和碳酸钙组成。双钳结构共同形成了一种抗裂的屏蔽效果，保护了躯干，让螳螂虾的猎物望而却步。

△双叉肢节结构。照片来自普渡大学的Pablo Zavattieri。

硬度提升至116倍

在本研究中，研究小组从大自然生物当中获取灵感，用双连续氧化锆/环氧树脂相3D打印复杂的陶瓷复合结构。

△(A)一只螳螂虾的照片(图片来源:Unsplash/CC0 Public Domain)及其在双叉肢节冲击表面的双连续陶瓷/聚合物相结构。(B)体积分数为40.8%的均匀级配陶瓷及其复合材料的设计与制备工艺。C)烧结陶瓷支架及复合材料固化抛光后的典型照片，样品尺寸为12 × 12 × 12 mm3。D)陶瓷/聚合物界面键合的分子动力学模拟和SEM图像。比例尺:10μm。

为了测试仿生打印结构的坚韧程度，他们将这一概念应用于牙科修复，用75%体积的氧化锆3D打印了一系列的牙桥。桥体的分级陶瓷壁的厚度从0.3毫米线性增加到0.7毫米，展示了分级的应力分布，以均匀的方式分散部件上的任何压缩应力。

在一系列的抗压测试中，研究小组发现，与纯陶瓷相比，他们的打印陶瓷复合材料的强度增加了213%。杨氏模量在打印的部件中只略有增加。令人惊讶的是，打印结构的硬度也增加了116倍，同时实现了使用传统技术无法制造的独特几何形状。

最终，这项研究在模仿螳螂虾的双连续结构方面显示出巨大的前景。3D打印的陶瓷复合材料表现出优异的韧性和抗压强度特性，这在定制牙齿修复应用中特别有用。

该研究的进一步细节可以在题为 “3D打印陶瓷复合材料的仿生增韧设计/3D printing of ceramic composite with biomimetic toughening design”的论文中找到。

相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc … i/S2214860422004195

这并不是首例以仿生学为中心的增材制造研究。在南极熊之前的报道中，来自美国的一个研究小组利用3D打印技术创造了受章鱼启发的吸盘。该团队由弗吉尼亚理工大学领导，开发了自己的自然启发的神经系统，能够检测物体并在几毫秒内自动开启粘附。这种粘性皮肤被集成到一个可穿戴的手套中，为在水下环境中操纵物体提供了一种新的方法。

在其他地方，苏黎世联邦理工学院的研究人员从蝴蝶的翅膀中获得灵感，3D打印出了人造的彩色纳米结构。原产于热带非洲的Cynandra opis物种的翅膀以其鲜艳的色彩为特征。然而，这些颜色不是基于颜料，而是结构性的，这意味着它们是由翅膀表面复杂的纳米结构产生的。