泡沫结构：3D打印多材料、多尺度和多功能仿生多孔结构（四）
泡沫具有超强的能量吸收能力，然而，它们往往具有较低的抗压强度，通常需要将金属管 、竹管和复合管用于增加泡沫的结构强度和能量吸收。不过将金属管用于聚合物泡沫时的一个问题是它们太坚固且太重。此外，管和泡沫的强度之间通常存在很大差异，一个合理的复合方案策略是使两个组件具有相同的强度。
本期将结合《Lessons from nature: 3D printed bio-inspired porous structures for impact energy absorption – a review》这篇论文，解读模仿自然结构可帮助开发更有效的泡沫结构设计，并增加能量吸收能力。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422004432?dgcid=rss_sd_all#
多孔结构-来自大自然的灵感
© 3D科学谷白皮书
多种形式的泡沫
l 丝瓜
丝瓜是天然分层材料，例如生物细胞丝瓜海绵，是研究多孔结构的绝佳课题。丝瓜具有令人难以置信的孔隙率，并且能够在破碎过程中保持恒定的应力变形平台。
这些仿生多孔结构是分层的，由四个层次组成，由许多细胞类型组成，包含大孔和微孔，大孔增强了内表面层的刚性。此外，丝瓜的机械特性也受水分含量的控制。
为了模仿这种丝瓜海绵分层结构，3D科学谷了解到科学家开发了分层泡沫铝圆柱体，使用柔性薄壁碳纤维增强聚合物 (CFRP) 将其加固在一起。据观察，与仅由铝制成的泡沫圆柱体相比，多孔仿生结构的比能量吸收相当高。仿生结构的比能量吸收高于分层泡沫中各组分比能量吸收的总和。通过应用混合和分层设计技术，可以产生具有高能量吸收的超轻复合泡沫结构。
图 10. (A) 仿生分层多孔结构 (B) SEM 图像显示泡沫状结构的密度梯度以及维管束(C) SEM 图像显示的形态横截面(D) 生物结构材料（龟壳）和合成对应材料（金属泡沫）的比较多孔样品的孔隙(E) 不同相对密度的泡沫铝样品。
l 柚
水果皮通常有多种用途，保护果肉和种子免受机械损伤是最重要的任务之一。这些生物结构是创造新型材料和组件的优秀灵感，这些结构可以保护货物免受硬搬运或碰撞造成的损坏。
当柚子被切成两半时，它的果皮厚 2-3 厘米。柚子皮的外表皮（有色的果皮）比其他柑橘品种更厚。除了渗透（几乎）整个果皮的网状木质化维管束外，其他主要成分组织由仅具有初级细胞壁并充满细胞液的薄壁细胞组成。
模仿柚子被的结构，3D科学谷了解到科学家已将纤维束应用到铝合金泡沫结构中。结果表明，与标准泡沫结构相比，当在泡沫结构中引入纤维束时，应力-应变图中的平台应力可以增加30%，刚度增加30%。
l 莲藕
莲藕具有独特的多孔结构，莲藕的微观结构由相互平行的长圆柱孔组成。模仿莲藕的结构，当前轻量化金属材料结构上可以采用具有在单个方向上排列的莲花型多孔结构。
3D科学谷了解到科学家研究了铜和铁样品的动态和准静态压缩响应，这些样品设计有嵌入的圆柱形孔（孔隙率 41.7%），在单个方向上排列以模拟莲藕的微观结构。科学家重点研究了圆柱孔在实验高原应力区和冲击能量吸收过程中所发生的变化。
l 龟壳
具有由层状骨壳和内部闭孔泡沫骨网络组成的夹层复合结构，龟壳具有更大的能量吸收能力，龟壳甲壳与金属泡沫材料具有相似的结构，在犰狳的前后壳中观察到类似的特征。
从龟壳的壳层结构获得灵感，3D科学谷了解到科学家设计了几种泡沫铝，每种泡沫都具有不同的形态和密度。通过试验评估泡沫的应变率敏感性的冲击性能。结果表明，与其他天然大孔泡沫设计相比，由模拟龟壳仿生多孔结构的泡沫铝组成的厚皮包围的夹层复合材料具有更高的比能量吸收。
泡沫铝吸引人的特性包括低密度、高刚度重量比、强度、能量吸收、可回收性和可负担性，使其成为许多应用的合适结构。泡沫铝已被用作抵御威胁的防护措施，并阐明了创新的装甲概念。
l 骨
骨骼被归类为具有分级孔隙结构的同源天然多孔材料，并在压缩下表现出出色的机械性能。受损骨骼的置换和再生仍然是骨科手术的主要挑战。临床上对骨移植材料的需求量很大。目前研究人员正在创造仿生支架，允许细胞附着、迁移并能够扩散重要的细胞营养物质。
科学家通过模仿骨的重塑机制，使用有限元分析，计算泡沫填料的密度梯度。模拟结果表明，泡沫填料的外层比内层具有更大的应变水平。为了与 FEA 应变分布模式保持一致，使用径向密度梯度来生产泡沫填料。与等重量的均匀泡沫填充管相比，分级泡沫填充管显示出高达 24% 的比能量吸收。
泡沫结构激发3D打印应用前景
l 电磁波吸收
随着航空发动机、高超音速飞行器和空间探测技术的发展，一些尖端航空航天领域的热端部件需要具备优异的电磁波吸收性能。目前，多数关于吸波材料的工作都致力于实现室温下材料的“薄宽轻强”，而如何设计具有优异高温吸波性能的材料仍面临巨大挑战。
泡沫结构可用于吸波，国内西北工业大学成来飞教授团队基于3D打印技术首次提出并构建了“wire-on-sphere”结构的SiC纳米线/SiC晶须（SiCnw/SiCw）泡沫用于高温电磁波（X波段）吸收。该泡沫在室温和600 ℃下的最大有效吸收带宽和最低反射系数分别为4 GHz、–57 dB和3 GHz、–15 dB。经过1000~1500 ℃氧化1 h，该泡沫可以保持最高3.9 GHz的有效吸收带宽。此外，该泡沫还具有17.05 MPa的抗弯强度。
“wire-on-sphere”结构可以实现电磁波在球内和球间的多次反射以增强对电磁波的吸收，同时单晶的SiCnw和SiCw具有大量的堆垛层错，可以引发偶极子极化损耗机制，此外SiCnw和SiCw可以形成大量的接触界面，界面处可引发界面极化损耗。
l 自动化泡沫设计
弹性泡沫领域近80年几乎没有太大的创新举措，3D打印技术的出现使得该行业重新焕发生机，可以生产出更舒适、更安全、更轻便且可以个性化定制的产品。
© EOS
在这方面EOS 的增材思维 (Additive Minds)应用工程团队推出了Digital Foam™计划，降低了将 3D 打印弹性泡沫推向市场的难度，且实现了将CAD、材料、零部件验证和增材制造（3D 打印）等诸多环节的有机融合。
此外，Desktop Metal也推出了FreeFoam计划。
3D打印弹性泡沫使用TPU或PEBA等柔韧性极高的聚合物材料，可以对每个体素（体积像素）进行深度微调，从而获得绝佳的舒适性、安全性和功能性。采用传统工艺时，此过程异常繁琐，需要复杂的工程设计和漫长的生产周期才能生产出符合要求的产品，而通过自动化的泡沫建模3D打印技术可以更轻松的实现。
(责任编辑：admin)
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