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近年来，仿生设计在复合材料领域受到广泛关注，尤其是具有“砖-泥”结构的珍珠层材料，因其优异的强韧性组合成为研究热点。然而，传统制备方法如组装矿化法、溶胶-凝胶-薄膜转化法和冷冻铸造法等工艺复杂，难以实现结构的精确定制。此外，现有研究对3D打印珍珠层结构中关键几何参数（如重叠比和纵横比）的优化及其对力学性能的影响尚未系统探讨。

为解决以上问题，北京理工大学的研究团队在Composites Science and Technology发表了相关研究成果。该研究通过3D打印技术制备了不同重叠比（α）和纵横比（ρ）的仿生珍珠层结构，结合拉伸实验、数字图像相关（DIC）技术和理论模型，系统分析了其力学行为与断裂韧化机制。论文标题为”Optimization of tensile mechanical properties and fracture toughening mechanism of 3D printed biomimetic nacre-like structures”。

研究团队采用光固化3D打印技术，以Vero刚性聚合物作为硬相（砖结构）、Agilus30柔性聚合物作为软相（泥结构），成功制备了系列仿珍珠层结构。通过拉伸实验结合数字图像相关这一非接触式光学测量技术，文章精细捕捉并分析了结构在载荷下的全场变形与损伤演化过程。理论分析方面，文章引入了基于剪切滞后的应变梯度理论模型，为性能预测提供了坚实框架。

实验结果揭示了重叠比和纵横比的核心作用。当重叠比从0.1增加至0.5时，结构的断裂应变从约3.45%显著提升至23.51%，断裂能量也从约10 N/mm大幅增加至43.45 N/mm，表明重叠比的增大有效提升了材料的韧性和能量吸收能力。纵横比的影响则呈现出先增后减的趋势，在ρ=4时达到最优，此时断裂应变和断裂能量均达到峰值；与此同时，材料的强度指标随纵横比增大而持续提升，剪切滞后硬化强度从ρ=2时的约3.5 MPa增至ρ=16时的6.26 MPa，不稳定断裂强度从约5 MPa增至10.03 MPa。

断裂应变	~3.45% (α=0.1) → 23.51% (α=0.5)	↑581%
断裂能量	~10 N/mm(α=0.1) → 43.45 N/mm (α=0.5)	↑334%
不稳定断裂强度	~5 MPa (ρ=2) → 10.03 MPa(ρ=16)	↑101%

断裂形貌分析进一步阐明了增韧机制。研究发现，当重叠比为0.5且纵横比接近最优值ρ≈3.64时，裂纹扩展路径表现出更强的随机性，微裂纹区域面积更大，从而通过裂纹偏转和微裂纹增韧等机制显著提高了断裂能。

文章指出，重叠比和纵横比是优化仿珍珠层结构力学性能的关键设计参数。在最优参数组合下，结构能实现强度与韧性的最佳平衡。该研究不仅为仿生复合材料的定制化设计提供了具体的理论依据和优化方程，也展示了3D打印技术在制备复杂多尺度结构方面的巨大潜力，对航空航天、生物医学和防护装备等领域的高性能材料开发具有重要指导意义。

图1 珍珠层结构的详细设计示意图  

图2 DIC测试系统 

图3 不同重叠比下珍珠层结构的典型应力-应变曲线

图4 重叠比为0.3时珍珠层结构的损伤演化过程

图5 重叠比为0.5时珍珠层结构的损伤演化过程

图6 仿珍珠层结构的力学性能随重叠比的变化

图7 不同重叠比下珍珠层结构的断裂形貌与断裂模式  

图8 纵横比为2时珍珠层结构的损伤演化过程 

图9 珍珠层结构的力学性能随纵横比的变化

图10 不同纵横比下珍珠层结构的断裂形貌与断裂模式

原始文献: 

Qiu, T., Guan, C., & Liang, L. (2025). Optimization of tensile mechanical properties and fracture toughening mechanism of 3D printed biomimetic nacre-like structures. Composites Science and Technology, 270, 111304.