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  在日常生活與復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中，機(jī)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(qiáng)則強(qiáng)"的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和可調(diào)控的力學(xué)性能，成為柔性防護(hù)材料研究的熱點(diǎn)。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(dǎo)致"靜態(tài)易裂、動(dòng)態(tài)易潰"的雙重短板：準(zhǔn)靜態(tài)下斷裂韌性不足，動(dòng)態(tài)沖擊下失效閾值較低，嚴(yán)重制約了其在實(shí)際工程場(chǎng)景中的應(yīng)用前景。因此，如何突破各向同性系統(tǒng)的局限，實(shí)現(xiàn)SSE復(fù)合材料在宏觀或多尺度層面的各向異性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以顯著提升其準(zhǔn)靜態(tài)承載能力與動(dòng)態(tài)緩沖性能，已成為推動(dòng)該類材料向高性能化與智能應(yīng)用拓展的關(guān)鍵科學(xué)問題。

  針對(duì)上述問題，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)制備工藝限制，受自然界軟硬相晶格結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，創(chuàng)新性地提出混合式3D打印策略，實(shí)現(xiàn)剪切變硬彈性體復(fù)合材料的各向異性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研發(fā)出了具有增強(qiáng)機(jī)械性能的晶格結(jié)構(gòu)軟硬相彈性體復(fù)合材料。在該工作中，研究團(tuán)隊(duì)通過準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)行為表征和動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)合非接觸式光學(xué)測(cè)量和有限元模擬，系統(tǒng)地揭示了晶格結(jié)構(gòu)賦予的力學(xué)增強(qiáng)機(jī)制。研究結(jié)果表明，蜂窩結(jié)構(gòu)TPR-SSE復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)載荷下表現(xiàn)出卓越的承載能力，在動(dòng)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(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步集成基于深度學(xué)習(xí)算法的智能傳感模塊，成功開發(fā)出集結(jié)構(gòu)可定制、優(yōu)異緩沖能力以及步態(tài)識(shí)別功能的智能運(yùn)動(dòng)鞋，充分驗(yàn)證了該研究成果在運(yùn)動(dòng)防護(hù)場(chǎng)景中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，更為下一代智能可穿戴防護(hù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)-功能一體化設(shè)計(jì)提供了全新范式。

  2025年4月26日，相關(guān)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(xué)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(zhǔn)實(shí)現(xiàn)軟硬相復(fù)合結(jié)構(gòu)的可定制化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。具體而言，研究團(tuán)隊(duì)通過融合熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling, FDM）技術(shù)和直墨書寫（Direct Ink Writing, DIW）技術(shù)兩種3D打印技術(shù)在軟相剪切變硬彈性體（SSE）中引入具有優(yōu)異準(zhǔn)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(jié)構(gòu)的TPR-SSE復(fù)合材料。在硬相靜態(tài)承載和軟相動(dòng)態(tài)緩沖協(xié)同作用下，TPR-SSE復(fù)合材料具有顯著增強(qiáng)的力學(xué)性能。

圖2. SSE的基礎(chǔ)力學(xué)行為和TPR-SSE界面粘結(jié)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(xué)振蕩剪切測(cè)試、單軸拉伸與壓縮實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了SSE體系中組分配比對(duì)其力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨著SSE中的SSG含量的提升，SSE的柔性、粘性以及應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)呈現(xiàn)出顯著增強(qiáng)趨勢(shì)。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(qiáng)的界面黏結(jié)，大幅提升了復(fù)合材料的界面強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖3. TPR-SSE復(fù)合材料的變形機(jī)理

  為探究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略對(duì)材料宏觀力學(xué)性能的影響，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)四類不同晶格結(jié)構(gòu)（蜂窩形、正方形、三角形、互鎖形）的TPR-SSE復(fù)合材料開展了準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合光學(xué)原位測(cè)量方法計(jì)算了拉伸過程中的應(yīng)變場(chǎng)分布。在拉伸載荷條件下，由硬相晶格骨架主導(dǎo)復(fù)合材料的承載能力，其泊松比的差異顯著影響復(fù)合材料的應(yīng)變分布和形貌演化。值得關(guān)注的是，具有較低正值泊松比的蜂窩結(jié)構(gòu)可有效調(diào)節(jié)軟相SSE的局部應(yīng)力集中，降低界面剝離與橫向壓縮失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，從而顯著提升材料在準(zhǔn)靜態(tài)條件下的整體力學(xué)性能。

圖4. TPR-SSE復(fù)合材料的沖擊防護(hù)性能

  為進(jìn)一步探究TPR-SSE復(fù)合材料的軟硬相晶格結(jié)構(gòu)的力學(xué)增強(qiáng)機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了落錘沖擊測(cè)試平臺(tái)，并輔以光學(xué)原位測(cè)量與有限元仿真分析方法，系統(tǒng)表征了不同結(jié)構(gòu)策略下復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)失效行為。在動(dòng)態(tài)沖擊過程中，粘彈性軟相SSE憑借獨(dú)特的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)耗散了大部分沖擊動(dòng)能，而硬相晶格TPR骨架為復(fù)合材料提供了堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)支撐并顯著抑制整體變形。軟硬相晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略有效地提升了復(fù)合材料在動(dòng)態(tài)沖擊載荷下的失效閾值，顯著增強(qiáng)了其動(dòng)態(tài)緩沖性能，其中蜂窩晶格結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出最優(yōu)化的力學(xué)增強(qiáng)效果，彰顯了該類結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)沖擊防護(hù)應(yīng)用中的工程潛力。

圖5. 深度學(xué)習(xí)算法驅(qū)動(dòng)的智能化應(yīng)用

  綜上研究成果，蜂窩晶格TPR-SSE復(fù)合材料兼具優(yōu)異的準(zhǔn)靜態(tài)承載能力與動(dòng)態(tài)沖擊緩沖性能，充分體現(xiàn)了仿生軟硬相晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略的協(xié)同力學(xué)性能增強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。依托3D打印技術(shù)在結(jié)構(gòu)可定制性上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將復(fù)合材料與深度學(xué)習(xí)算法驅(qū)動(dòng)的無線傳感模塊集成，成功開發(fā)出具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、精確步態(tài)識(shí)別與個(gè)性化沖擊預(yù)警功能的新型智能運(yùn)動(dòng)鞋。該智能可穿戴設(shè)備在多場(chǎng)耦合環(huán)境下具有穩(wěn)定的力學(xué)性能和傳感性能，充分展現(xiàn)了TPR-SSE復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)防護(hù)與智能健康監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)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(fù)合材料，通過仿生軟硬相晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略顯著提升了材料在準(zhǔn)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)沖擊載荷下的綜合力學(xué)性能。同時(shí)，憑借該材料體系的結(jié)構(gòu)可定制化拓展性，研究團(tuán)隊(duì)面向智能穿戴領(lǐng)域開發(fā)出實(shí)用化樣機(jī)，突破了傳統(tǒng)剪切變硬材料在復(fù)雜工況中的應(yīng)用瓶頸，為高性能柔性防護(hù)材料與下一代智能可穿戴設(shè)備的融合設(shè)計(jì)提供了全新思路。

  中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)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(xué)技術(shù)大學(xué)碩士研究生賴樹羽與王東鵬。該工作得到國家自然科學(xué)基金、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金及安徽省自然科學(xué)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