太原理工大学张学勤/北京理工大学何汝杰等:仿生设计+3D打印—新型聚脲增韧陶瓷点阵结构,实现静动态力学性能“双提升”
- 2026-04-03 12:35:33
Journal of
Advanced Ceramics
2025年第14卷第6期
导读
陶瓷点阵结构（CCSs）因其轻质高强的特性，在航空、航天、兵器等领域具有广阔应用前景。然而，传统陶瓷材料的固有脆性和低能量吸收能力导致其在过载时易发生灾难性断裂，严重限制了实际应用。自然界中，如鲍鱼壳、海螺壳等生物材料通过“硬质相（如碳酸钙）与韧相（如几丁质）”的双相互穿结构设计，实现了强度与韧性的完美平衡。受此启发，科研团队提出了一种仿生双相互穿结构设计策略，以解决陶瓷点阵结构的脆性难题，实现静动态力学性能的“双提升”。
北京理工大学何汝杰教授和太原理工大学张学勤博士，通过氧化铝陶瓷点阵结构光固化3D打印与聚脲渗透工艺，成功制备了新型聚脲增韧氧化铝陶瓷点阵结构（P/CCSs）。论文采用三种典型点阵结构构型（体心立方BCC、Octet、改进体心立方MBCC）及不同相对密度（20%、30%、40%），系统探究了P/CCSs在准静态与动态压缩载荷下的力学性能。通过万能试验机准静态试验和分离式霍普金森压杆动态试验，结合高速摄像技术，全面分析了新型聚脲增韧陶瓷点阵结构的失效模式与能量吸收机制。
文章亮点
（1）将自然材料的双相互穿结构引入陶瓷点阵结构，通过硬质氧化铝骨架与柔性聚脲网络协同作用，显著提升P/CCSs抗压强度与能量吸收能力。
（2）P/CCSs在准静态压缩下的承载能力为CCSs的1.22–3.64倍，能量吸收能力是CCSs的57–519倍；动态压缩下强度与能量吸收分别为CCSs的1.07–1.85倍和3.31–10.94倍。
（3）与传统陶瓷不同，P/CCSs在大变形下仍能保持整体结构，避免灾难性破碎。
作者及研究团队简介
张学勤（第一作者），太原理工大学讲师主要从事增材制造与力学超常规陶瓷材料研究。
何汝杰（通讯作者），北京理工大学长聘教授、博士生导师，《先进陶瓷（英文）》期刊副主编。长期从事陶瓷及其复合材料3D打印基础理论、关键技术及工程应用研究。
作者及研究团队的其他研究
Cite this article:
Zhang X, Su R, Gao X, et al. 3D-printed polyurea-toughened Al2O3 cellular ceramic structures: Bioinspired dual-phase interpenetrating design for superior mechanical properties. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(6): 9221095. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221095
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