理解具有仿生结构的3D打印超高性能复合材料的能量耗散机制：从断裂力学理论到可编程的增韧策略

时间：2026年5月28日

来源：CEMENT AND CONCRETE RESEARCH

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董恩来|邱思远|陈宇|维克托·梅赫切里内|内姆库马尔·班西亚|龚一凡|林倩|马明蕾|张亚梅中国东南大学材料科学与工程学院工程材料国家重点实验室，南京，211189摘要本文基于断裂力学理论，研究了具有仿生结构的3D打印超高性能复合材料（3DP-UHPC）的冲击能量耗散机制。采用仿生

董恩来|邱思远|陈宇|维克托·梅赫切里内|内姆库马尔·班西亚|龚一凡|林倩|马明蕾|张亚梅

中国东南大学材料科学与工程学院工程材料国家重点实验室，南京，211189

摘要

本文基于断裂力学理论，研究了具有仿生结构的3D打印超高性能复合材料（3DP-UHPC）的冲击能量耗散机制。采用仿生策略在3DP-UHPC中设计了程序化的Bouligand结构。系统研究了层间取向角对机械性能的影响，并利用图像处理技术分析了动态失效机制。结果表明，Bouligand结构3DP-UHPC的动态损伤演变经历了四个不同阶段：致密化、裂纹萌生、裂纹扩展和裂纹穿透。值得注意的是，当层间角度为15°时，其断裂韧性提高了24%至42%，这归因于纤维桥接和裂纹扭转的协同效应。此外，本文提出的新型能量释放模型证实，当纤维桥接和裂纹扭转的能量释放贡献达到平衡时，可以实现最佳的能量吸收。

引言

近年来，车辆和船舶碰撞以及爆炸等紧急事件在土木工程中引起了广泛关注，因为它们对基础设施造成了严重破坏，并由于巨大的冲击力和能量释放导致人员伤亡[1]、[2]、[3]。由交通事故、自然灾害和爆炸[4]、[5]、[6]、[7]引起的动态冲击载荷对结构的安全性和耐久性构成了重大威胁，同时也威胁到环境和社会的稳定[8]、[9]、[10]。因此，提高材料对动态载荷的抵抗力并确保其在紧急事件中的可靠性和韧性已成为一个重要的研究领域。

超高性能复合材料（UHPC）作为一种新型的水泥基复合材料[11]，以其优异的强度[12]、卓越的韧性[13]和出色的耐久性[14]而脱颖而出。这些特性使UHPC成为先进防护工程应用的有希望的候选材料。然而，UHPC在这一领域的广泛应用仍受到若干挑战的制约。传统的UHPC施工方法通常效率低下[15]、[16]，难以制造复杂的几何形状[17]、[18]，且对模具的依赖性较高[19]，这限制了其在快速动态施工场景中的应用。相比之下，3D打印混凝土（3DPC）具有多项优势，包括无需模具[20]、[21]、降低劳动力成本[22]、[23]以及提高施工效率[24]、[25]，使其非常适合用于防护工程。然而，传统的3DPC结构通常表现出相对较差的机械性能，这主要是由于现有增强技术的局限性[26]、[27]、[28]。通过将UHPC与3D打印技术相结合，可以减少结构厚度和总体混凝土体积，同时克服传统3DPC的抗冲击弱点。这种组合有望提高防护结构的机械性能和韧性。

3DP-UHPC研究的最新进展表明，打印过程可以显著提高钢纤维沿打印方向的排列，使其拉伸机械性能比浇筑UHPC高出30-40%[29]、[30]、[31]。董等人[32]应用仿生策略开发了一种大型无增强壳体结构。原位载荷测试显示，该结构的上部能够承受高达400 kg/m²的载荷，为无增强或轻度增强的3D打印结构的设计提供了宝贵的见解。此外，3DP-UHPC表现出出色的防火和抗爆性能[33]、[34]，进一步增强了其在防护应用中的潜力。尽管如此，由于UHPC增材制造的独特特性[35]、[36]、[37]，仍存在一些挑战。具体来说，层与层之间以及条与条之间的弱结合在冲击载荷下会导致较高的失效风险[38]、[39]。虽然这种分层结构是3D打印过程固有的，无法消除，但通过设计优化（如改变打印路径）可以帮助缓解这一问题并提高结构性能。

在这种情况下，具有独特分层结构和优异机械性能的生物材料引起了越来越多的兴趣，特别是那些具有Bouligand结构的材料。这种结构存在于螳螂虾的外骨骼等生物材料中[40]、[41]、[42]，其特征是单轴排列的纳米纤维层呈周期性螺旋排列。这种配置使得这些材料具有出色的断裂韧性和抗冲击性[41]。纤维取向在层间的梯度分布使这些材料能够吸收重复的高能量冲击[42]，主要是通过促进裂纹偏转和促进能量耗散来实现的。受此启发，研究人员开发了使用3D打印Bouligand结构的仿生材料。研究表明，与传统3DPC结构相比，这种设计可以将弯曲强度提高80%，断裂能量提高102%[40]。杜等人[41]报告称，3D打印的纤维增强Bouligand结构可以将弯曲强度提高1.25至1.73倍，韧性提高3.48至5.10倍——这些结果与Tran和Nguyen的研究结果一致[42]。然而，大多数这些研究关注的是正常强度材料在低应变率（10⁻⁵ s⁻¹至10⁻¹ s⁻¹）下的机械响应，这对于工程防护应用来说是不够的，因为材料通常会暴露在高应变率（>10² s⁻¹）下。尽管将3DP-UHPC与Bouligand结构相结合提供了一个有前景的解决方案，但现有研究尚未探索这种组合在高应变率条件下的损伤演变和能量耗散机制，这成为实际应用的一个重大障碍。

为了解决这一差距，本研究系统研究了采用可编程增韧策略的3DP-UHPC的冲击能量耗散行为。通过将层间角度调整为0°、15°、30°和45°，我们分析了静态和动态机械性能的演变。随后，使用扫描电子显微镜（SEM）和X射线计算机断层扫描（X-CT）检查了冲击载荷下的失效模式。最后，基于断裂力学理论提出了3DP-UHPC的失效机制和动态损伤模型，为其在防护工程中的应用奠定了基础。

章节片段

材料设计与可打印性评估

3DP-UHPC的混合设计如表1所示。3DP-UHPC中使用的主要粘结材料包括波特兰水泥（P.II 52.5）、硅灰（SF）和粉煤灰（FA）。添加硅灰和粉煤灰不仅提高了UHPC的堆积密度，还改善了其可打印性。3DP-UHPC中使用的骨料包括粒径为0–0.6 mm的细砂（S1）和粒径为0.6–1.25 mm的粗砂（S2）。为了提高UHPC的可打印性，采用了合适的

抗压强度和失效行为

图6显示了3DP-UHPC试样沿Z方向的压缩失效模式。在X-Z平面上观察到圆锥形失效模式，压缩初期出现垂直裂纹，随后逐渐发展成贯穿截面的对角主裂纹[51]。这表明，当层间角度为15°时，调整层间角度可以有效调节能量耗散，此时对角裂纹的数量更多

结论

本文研究了采用可编程增韧策略的3D打印超高性能复合材料（3DP-UHPC）的冲击能量耗散机制。分析了具有Bouligand结构的3DP-UHPC的静态机械性能和动态响应。主要结论如下：

1.
3DP-UHPC Bouligand结构在X-Z平面上的抗压失效模式呈圆锥形。压缩初期形成垂直裂纹，随后

CRediT作者贡献声明

董恩来：概念构思、形式分析、资金获取、初稿撰写、审稿与编辑。邱思远：可视化、验证。陈宇：监督、验证。维克托·梅赫切里内：监督、初稿撰写。内姆库马尔·班西亚：初稿撰写、监督。龚一凡：形式分析、方法论。林倩：数据管理、调查。马明蕾：资源与方法论。张亚梅：审稿与编辑、初稿撰写