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  目前應(yīng)用于吸能防護(hù)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(xué)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(yīng)特性，可有效地適應(yīng)復(fù)雜幾何形狀，然而其力學(xué)性能較差。因此，迫切需要開發(fā)具有優(yōu)異力學(xué)性能的輕型織物基材料，這將是邁向下一代形狀自適應(yīng)防護(hù)材料的重要一步。

  近期，新加坡南洋理工大學(xué)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(cuò)排列模式拓?fù)浠ユi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(zhǎng)a和內(nèi)凹深度m三個(gè)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(duì)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(jìn)一步收縮30%以便儲(chǔ)存。施加真空圍壓后，該織物可以承受超過(guò)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(dú)特的拓?fù)浠ユi模式的協(xié)同強(qiáng)化，該雙面結(jié)構(gòu)織物具有突出的比強(qiáng)度和比吸能，以及優(yōu)異的變形恢復(fù)率，突破了強(qiáng)度與變形恢復(fù)性之間的對(duì)立（圖2）。此外，當(dāng)在該結(jié)構(gòu)織物的邊界施加90 kPa的真空圍壓時(shí)，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(diǎn)接觸區(qū)域，導(dǎo)致分別加載該織物上下表面時(shí)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(xué)性能和形狀自適應(yīng)性（圖3），其優(yōu)異的能量吸收能力，推動(dòng)了具有防護(hù)能力的輕型智能服和防止二次損傷的先進(jìn)康復(fù)服的開發(fā)，其高度的形狀自適應(yīng)能力可以使個(gè)人，如宇航員或現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)度、比彎曲模量和比吸能。值得說(shuō)明的是，盡管該雙面結(jié)構(gòu)織物在本工作中是通過(guò)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(yīng)用需求通過(guò)其他技術(shù)和材料制造。例如，對(duì)于在超高強(qiáng)度、高溫和/或形狀自適應(yīng)防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用，可以使用鎳基高溫合金打印該雙面結(jié)構(gòu)織物。這項(xiàng)研究工作利用增材制造技術(shù)提供的設(shè)計(jì)自由度，將結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)及其排列模式的創(chuàng)新結(jié)合起來(lái)，使吸能防護(hù)材料兼具獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性和優(yōu)異的力學(xué)性能，即彌補(bǔ)了現(xiàn)有防護(hù)材料的不足，也擴(kuò)大了織物基材料在形狀自適應(yīng)防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用，如輕質(zhì)防護(hù)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(jì)和打印原型。

圖2. 雙面結(jié)構(gòu)織物與其他吸能防護(hù)材料力學(xué)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(yīng)防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用。 

  新加坡南洋理工大學(xué)周琨教授課題組依托于惠普-南洋理工大學(xué)數(shù)字制造聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室和新加坡3D打印中心，長(zhǎng)期從事多種增材制造技術(shù)（3D打�。┭芯�，例如粉末熔融（MJF、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(fù)合材料及高性能新金屬材料研發(fā)、先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多尺度模擬仿真、增材制造零件宏微觀力學(xué)性能表征及其應(yīng)用等。

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