在日常生活與復雜工業(yè)環(huán)境中，機械沖擊載荷帶來的安全隱患始終是重大挑戰(zhàn)。近年來，剪切變硬彈性體（Shear-Stiffening Elastomer, SSE）因其"遇強則強"的應變率強化效應和可調控的力學性能，成為柔性防護材料研究的熱點。但現(xiàn)有SSE材料體系受傳統(tǒng)硫化工藝限制，局限于各向同性系統(tǒng)，導致"靜態(tài)易裂、動態(tài)易潰"的雙重短板：準靜態(tài)下斷裂韌性不足，動態(tài)沖擊下失效閾值較低，嚴重制約了其在實際工程場景中的應用前景。因此，如何突破各向同性系統(tǒng)的局限，實現(xiàn)SSE復合材料在宏觀或多尺度層面的各向異性結構設計，以顯著提升其準靜態(tài)承載能力與動態(tài)緩沖性能，已成為推動該類材料向高性能化與智能應用拓展的關鍵科學問題。
針對上述問題，中國科學技術大學龔興龍教授團隊突破傳統(tǒng)制備工藝限制，受自然界軟硬相晶格結構的啟發(fā)，創(chuàng)新性地提出混合式3D打印策略，實現(xiàn)剪切變硬彈性體復合材料的各向異性結構設計，研發(fā)出了具有增強機械性能的晶格結構軟硬相彈性體復合材料。在該工作中，研究團隊通過準靜態(tài)力學行為表征和動態(tài)沖擊實驗，結合非接觸式光學測量和有限元模擬，系統(tǒng)地揭示了晶格結構賦予的力學增強機制。研究結果表明，蜂窩結構TPR-SSE復合材料在準靜態(tài)載荷下表現(xiàn)出卓越的承載能力，在動態(tài)沖擊載荷下表現(xiàn)出優(yōu)異的能量耗散性能。以此為基礎，研究團隊進一步集成基于深度學習算法的智能傳感模塊，成功開發(fā)出集結構可定制、優(yōu)異緩沖能力以及步態(tài)識別功能的智能運動鞋，充分驗證了該研究成果在運動防護場景中的實際應用價值，更為下一代智能可穿戴防護設備的結構-功能一體化設計提供了全新范式。
2025年4月26日，相關成果以“Hybrid Additive Manufacturing of Shear-Stiffening Elastomer Composites for Enhanced Mechanical Properties and Intelligent Wearable Applications”為題，發(fā)表在國際著名材料科學類期刊《Advanced Materials》上。
圖1. DIW-FDM混合式3D打印制備工藝
本研究提出了一種創(chuàng)新性的混合式3D打印策略，能夠精準實現(xiàn)軟硬相復合結構的可定制化結構設計。具體而言，研究團隊通過融合熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling, FDM）技術和直墨書寫（Direct Ink Writing, DIW）技術兩種3D打印技術在軟相剪切變硬彈性體（SSE）中引入具有優(yōu)異準靜態(tài)承載能力和熱穩(wěn)定性的硬相熱塑性橡膠（TPR）晶格骨架，成功制備出了一種具有仿生軟硬相晶格結構的TPR-SSE復合材料。在硬相靜態(tài)承載和軟相動態(tài)緩沖協(xié)同作用下，TPR-SSE復合材料具有顯著增強的力學性能。
圖2. SSE的基礎力學行為和TPR-SSE界面粘結性能表征
軟相SSE主要由剪切變硬凝膠SSG和硅橡膠VMQ組成，通過流變學振蕩剪切測試、單軸拉伸與壓縮實驗，研究團隊系統(tǒng)研究了SSE體系中組分配比對其力學性能的影響。結果表明，隨著SSE中的SSG含量的提升，SSE的柔性、粘性以及應變率強化效應呈現(xiàn)出顯著增強趨勢。另外，具有較高SSG含量的軟相SSE在硫化過程中能與硬相TPR形成更強的界面黏結，大幅提升了復合材料的界面強度與結構穩(wěn)定性。
圖3. TPR-SSE復合材料的變形機理
為探究結構設計策略對材料宏觀力學性能的影響，研究團隊對四類不同晶格結構（蜂窩形、正方形、三角形、互鎖形）的TPR-SSE復合材料開展了準靜態(tài)拉伸實驗，并結合光學原位測量方法計算了拉伸過程中的應變場分布。在拉伸載荷條件下，由硬相晶格骨架主導復合材料的承載能力，其泊松比的差異顯著影響復合材料的應變分布和形貌演化。值得關注的是，具有較低正值泊松比的蜂窩結構可有效調節(jié)軟相SSE的局部應力集中，降低界面剝離與橫向壓縮失穩(wěn)風險，從而顯著提升材料在準靜態(tài)條件下的整體力學性能。
圖4. TPR-SSE復合材料的沖擊防護性能
為進一步探究TPR-SSE復合材料的軟硬相晶格結構的力學增強機制，研究團隊構建了落錘沖擊測試平臺，并輔以光學原位測量與有限元仿真分析方法，系統(tǒng)表征了不同結構策略下復合材料的動態(tài)失效行為。在動態(tài)沖擊過程中，粘彈性軟相SSE憑借獨特的應變率強化效應耗散了大部分沖擊動能，而硬相晶格TPR骨架為復合材料提供了堅固的結構支撐并顯著抑制整體變形。軟硬相晶格結構設計策略有效地提升了復合材料在動態(tài)沖擊載荷下的失效閾值，顯著增強了其動態(tài)緩沖性能，其中蜂窩晶格結構展現(xiàn)出最優(yōu)化的力學增強效果，彰顯了該類結構在動態(tài)沖擊防護應用中的工程潛力。
圖5. 深度學習算法驅動的智能化應用
綜上研究成果，蜂窩晶格TPR-SSE復合材料兼具優(yōu)異的準靜態(tài)承載能力與動態(tài)沖擊緩沖性能，充分體現(xiàn)了仿生軟硬相晶格結構設計策略的協(xié)同力學性能增強優(yōu)勢。依托3D打印技術在結構可定制性上的獨特優(yōu)勢，研究團隊進一步將復合材料與深度學習算法驅動的無線傳感模塊集成，成功開發(fā)出具備實時監(jiān)控、精確步態(tài)識別與個性化沖擊預警功能的新型智能運動鞋。該智能可穿戴設備在多場耦合環(huán)境下具有穩(wěn)定的力學性能和傳感性能，充分展現(xiàn)了TPR-SSE復合材料在運動防護與智能健康監(jiān)測等應用場景中的巨大潛力。
總體而言，本工作提出了一種基于混合式3D打印工藝的剪切變硬彈性體復合材料，通過仿生軟硬相晶格結構設計策略顯著提升了材料在準靜態(tài)與動態(tài)沖擊載荷下的綜合力學性能。同時，憑借該材料體系的結構可定制化拓展性，研究團隊面向智能穿戴領域開發(fā)出實用化樣機，突破了傳統(tǒng)剪切變硬材料在復雜工況中的應用瓶頸，為高性能柔性防護材料與下一代智能可穿戴設備的融合設計提供了全新思路。
中國科學技術大學工程科學學院碩士研究生楊俊杰為論文第一作者，龔興龍教授和趙春宇特任副研究員為通訊作者。合作者包括中國科學技術大學碩士研究生賴樹羽與王東鵬。該工作得到國家自然科學基金、博士后創(chuàng)新人才支持計劃、中央高；究蒲袠I(yè)務費專項資金及安徽省自然科學基金的資助與支持。
原文鏈接：Yang JJ, Zhao CY*, Lai SY, Wang DP, Gong XL*, Hybrid Additive Manufacturing of Shear-Stiffening Elastomer Composites for Enhanced Mechanical Properties and Intelligent Wearable Applications. Advanced Materials, 202419096，2025.
https://doi.org/10.1002/adma.202419096
