硅藻、螺旋、点阵 l 3D打印多材料、多尺度和多功能仿生多孔结构(六)
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硅藻、螺旋、点阵结构设计，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
硅藻
硅藻是具有微米尺寸（2 到 2,000 μm）的单细胞小藻类，具有由二氧化硅 (SiO2)组成的复杂多孔壁结构（硅藻壳）,它们存在于水环境中。硅藻的形状要么是径向对称的，要么是五角形的。每个物种内硅藻的形状、大小和孔隙分布的多样性是不同的。单个硅藻将具有不同的、特定于物种的形式和从纳米到毫米不等的不同孔径。硅藻具有独特的微米和纳米特征，以及对称的孔阵列，使其适用于许多应用。
l 鳐鱼
科学家研究了这种水生硅藻结构对均匀压缩的机械响应。他们的实验结果表明，这些硅藻的杨氏模量范围在 1.1 – 10.6 GPa 之间。还进一步评估了可能的尺寸-刚度（实验）和尺寸-应力（模拟）相关性的机械行为。发现机械抗性硅藻壳与多孔结构的结合有助于提高硅藻壳的机械强度。
玻璃海绵
玻璃海绵是一种深栖动物，因其复杂的玻璃状骨骼结构而得名。它们通常存在于深海中，是具有出色机械性能的轻质结构的典型例子之一。
l 俪虾
Euplectella aspergillum (EA) 俪虾是一种骨骼为白色的虾，骨骼结构由骨针交织成网状，形状多为花瓶型或柱型，一头有硅质丝插于深海软泥底，所以又被称为维纳斯花篮。
典型 EA 俪虾海绵的骨架和微观结构，EA 的骨架系统采用具有对称自由空间的多孔架构。由二氧化硅陶瓷的微小纤维和构成 EA 海绵骨架的有机成分组成。细纤维具有同心圆柱体形状的分层设计，称为针状体。
图. (A-B) Euplectella aspergillum (EA) 的结构 (C) 天然针状结构的 SEM 显微结构 (D) 天然针状结构的横截面 (E) 针状横截面示意图 (F)不同嵌套圆柱形结构（NCS）样品的横截面示意图。
研究人员发现，骨针层由无定形二氧化硅 (SiO2) 组成。这些二氧化硅层之间存在蛋白质或胶原蛋白等有机材料。这些层状结构是决定韧性、强度和弯曲模量的关键因素。这种海绵的层状结构可以消除裂纹进展。如果裂纹开始，就不能发展到下一个后续层，从而防止脆性材料的灾难性破坏。
模仿了多孔EA俪虾海绵的针状结构，并开发了一种新的结构来改善易碎棒的机械特性，在新设计的框架中，使用3D打印机生产了不同直径的圆柱体并相互放置。将样品固定在跨度为 160 mm、十字头变形率为 200 mm/min 的三点弯曲试验机上。新开发的嵌套圆柱结构 (NCS) 的抗弯强度、应变、模量和韧性显示出显着的机械改进。
与实心棒相比，NCS 也被记录为具有较低的密度。根据他们的 SEM 观察，当测试圆柱壁厚为 0.8 mm 时，裂纹分支、裂纹桥接和裂纹偏转是 NCS 增韧的主要机制。
螺旋
Gyroid-螺旋是一种多孔轻质结构，是一种三周期最小表面 (TPMS)结构。可以在许多生物膜中找到，陀螺的结构自然设计为具有最小的表面积。研究人员发现，TMPS 结构的设计是可行的，但在引入 AM-增材制造之前很难制造。催化载体、纳米多孔膜、光子晶体和仿生材料是它的一些工程应用。
l 海胆
海胆的脊椎由开孔的多孔微结构（也称为立体结构）组成。海胆的骨骼是自然界中最广为人知的生物矿化多孔结构之一。海胆的立体结构具有受控的孔隙率梯度以及结构变化。
研究表明，海胆刺的强度重量比高于砖和混凝土，这是由于其极度多孔结构引起的裂缝限制作用。这种机械行为与保护这些物种免受由捕食者攻击引起的力引起的冲击、断裂和磨损有关。
研究人员研究了一种新型的具有 TPMS 芯的轻质夹层结构，结合使用 3D 打印技术制造了具有 Primitive、Neovius 和 IWP 核心拓扑的三明治结构。以 1 mm/min 的变形速率对仿生结构进行了弯曲测试，结果表明，核心的几何参数和相对密度对弯曲刚度、最大载荷和能量吸收有显着影响。
此外，随着 TMPS 芯材相对密度的增加，夹层结构的抗弯刚度、强度和能量吸收能力也会增加。这些发现为未来设计用于各种工程应用的新型夹层结构提供了宝贵的见解。
图. (A) 海胆骨架 (B) 蝴蝶翅膀中发现的类似TMPS结构的仿生设计。
l 蝴蝶翅膀
蝴蝶翅膀是天然多孔混合材料，由许多成分以精确的几何形状和比例混合而成。蝴蝶翅膀因其独特的设计引起了多个研究小组的兴趣，根据机械分析，它们的机翼可被视为针对弯曲载荷进行了优化的结构。多孔中心部分的横截面视图显示，它分为两个外部部分，由框架实现，其中承载杆通过垂直的较小杆连接到多孔芯。内部多孔层的拓扑结构最大限度地提高了结构的刚度，同时减轻了其重量。
科学家们开发了一种受蝴蝶翅膀启发的结构，以优化弯曲应力下的刚度，该结构的主要特征是在观察蝴蝶翅膀上的鳞片后创建的。
SEM 图像显示了螺旋体的结构，包括一组肋骨以提供额外的强度。科学家们的方法包括用碳纤维加强筋代替肋骨，这些筋使用新颖的设计理念与主结构相连。结果揭示了具有 CFRP 杆的结构 (46 N/mm) 的刚度是非增强结构 (20 N/mm) 的两倍多。
根据3D科学谷，3D打印热交换器设计中的多孔结构可以根据它们的孔隙连通性（开放和封闭孔隙）以及孔隙拓扑和尺寸的规律性（随机和非随机）进行分类。有序的孔形状满足细胞向内生长所需的互连性，具有非随机设计的多孔结构涉及基于点阵晶格和 TPMS 的晶胞。为了实现所需要的产品性能，需要优化诸如孔形状、孔径、孔隙率、孔互连性和微拓扑表面特征等物理特性。
3D打印与TPMS螺旋结构结合，能够开发更小、更轻、更高效的热交换器可以帮助开发需要更少功率的制冷系统，或者可以开发更有效地实现冷却的高性能发动机。
点阵
晶格由几个胞元组成，组合在一起形成一个小的多孔结构，可以在任何方向重复放置。它们也可以以多种形式和大小出现。在人体骨骼（小梁）中观察到四面体形状的仿生晶格结构。防止骨骼被机械应力破坏的强度由小梁提供。在显微镜下小梁中也可以看到金字塔形（多面体）。
对于晶格多孔结构的冲击能量吸收，其规定的相对密度是影响因素之一。通过有限元模拟研究了单轴压缩下周期性晶格的动态破碎。研究了不同冲击速度下不同相对密度晶格的变形模式和平均值。科学家得出的结论是，平均动态应力随着冲击速度、基材密度和晶格相对密度的增加而增加。
l 雕齿兽
Glyptodonts 是属于 Cingulata 组的已灭绝哺乳动物，其中也包括现代犰狳。雕齿兽的骨皮是一种防弹衣，可作为对掠食者的保护。骨皮具有致密的致密层和多孔晶格核心，兼具强度和高能量吸收能力。
雕齿兽的骨皮由夹在两个致密层之间的小梁核心组成。与犰狳中发现的更灵活的结构相比，雕齿兽的甲壳相当坚硬。
图. (a) 雕齿兽由互锁骨皮组成的“防弹衣” (b) 骨皮之间的支柱厚度 (c) 简化的逆向工程模型。
雕齿兽的“防弹衣”可以保护它们免受捕食者的侵害。结合使用微型计算机断层扫描、逆向工程、应力模拟（通过施加 1 kN 载荷）和以 1.5 mm/s 的加载速度对 3D打印模型进行机械测试来完成测试工作，结果表明，由 0.25 毫米厚的支柱和多孔晶格芯（66% 孔隙率）组成的致密致密层的组合有助于提高结构强度并避免系统的灾难性故障。
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关注3D打印多材料、多尺度和多功能仿生多孔结构，下一期，将进一步分享来自大自然的灵感：仿生多孔结构的增材制造工艺。
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