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  目前應用于吸能防護領域的輕質材料普遍面臨一經制備其幾何形狀和力學性能即被固定的難題。織物基材料，包括編織或互鎖結構，具有自適應特性，可有效地適應復雜幾何形狀，然而其力學性能較差。因此，迫切需要開發具有優異力學性能的輕型織物基材料，這將是邁向下一代形狀自適應防護材料的重要一步。

  近期，新加坡南洋理工大學周琨教授課題組首次提出并制造了由三維內凹結構單元以交錯排列模式拓撲互鎖而成的雙面結構織物（圖1）。三維內凹結構單元由桿件直徑d、邊長a和內凹深度m三個幾何參數定義，為防止單元桿件的重疊及內凹結構特性的缺失，對幾何參數提出較高要求。在本工作中，該結構織物是采用惠普多射流熔融（Multi Jet Fusion，MJF）技術由聚酰胺12（PA12）材料打印， 分別設置d，a，m為1，10，0.3 mm（圖 1a）。由于該結構織物上下表面的單元排列模式不同，從而具有雙面結構特征（圖1b）。該雙面結構織物具有高度的柔性，可以折疊、垂墜和卷起，且卷起之后可進一步收縮30%以便儲存。施加真空圍壓后，該織物可以承受超過其自身質量25倍的載荷（圖1c）。由于三維內凹結構單元及其獨特的拓撲互鎖模式的協同強化，該雙面結構織物具有突出的比強度和比吸能，以及優異的變形恢復率，突破了強度與變形恢復性之間的對立（圖2）。此外，當在該結構織物的邊界施加90 kPa的真空圍壓時，其比彎曲模量可提高67倍。新穎的互鎖模式在該雙面結構織物的上下表面分別引入了平面接觸區域和點接觸區域，導致分別加載該織物上下表面時的彎曲模量不同，從而提高了改變真空圍壓調整結構彎曲模量的精度和范圍。

  與目前的可穿戴材料相比，所提出的雙面結構織物具有顯著提高的力學性能和形狀自適應性（圖3），其優異的能量吸收能力，推動了具有防護能力的輕型智能服和防止二次損傷的先進康復服的開發，其高度的形狀自適應能力可以使個人，如宇航員或現場救援人員，快速創建任何形狀的工具，并在資源稀缺的條件下根據需求調整其比強度、比彎曲模量和比吸能。值得說明的是，盡管該雙面結構織物在本工作中是通過MJF技術采用PA12材料打印，但在增材制造技術快速發展的背景下，該結構織物可以根據應用需求通過其他技術和材料制造。例如，對于在超高強度、高溫和/或形狀自適應防護領域的應用，可以使用鎳基高溫合金打印該雙面結構織物。這項研究工作利用增材制造技術提供的設計自由度，將結構單元的設計及其排列模式的創新結合起來，使吸能防護材料兼具獨特的結構特性和優異的力學性能，即彌補了現有防護材料的不足，也擴大了織物基材料在形狀自適應防護領域的應用，如輕質防護服、醫療支持、精密組件的包裝，以及軍事和航空航天安全設備等。

圖 1. 雙面結構織物的設計和打印原型。

圖2. 雙面結構織物與其他吸能防護材料力學性能的比較。

圖3. 雙面結構織物與其他可穿戴材料的性能比較及其在形狀自適應防護領域的應用。 

  新加坡南洋理工大學周琨教授課題組依托于惠普-南洋理工大學數字制造聯合實驗室和新加坡3D打印中心，長期從事多種增材制造技術（3D打印）研究，例如粉末熔融（MJF、SLM、SLS）、光固化（DLP、SLA）、墨水直寫（DIW）、擠出成型（FDM）等。目前聚焦于功能聚合物復合材料及高性能新金屬材料研發、先進結構設計和多尺度模擬仿真、增材制造零件宏微觀力學性能表征及其應用等。

  原文鏈接：http://doi.org/10.1002/advs.202301567