汽车保险杠、头盔吸能衬层等防护结构，本质上都是通过材料自身的变形或损伤来吸收和耗散冲击能量，从而保护人员或后方结构。问题在于，这类吸能过程往往伴随着不可逆损伤：保险杠可能发生永久变形，头盔内部的吸能层也可能出现难以恢复的破坏。因此，传统吸能材料虽然能够有效发挥防护作用，但在经历较大冲击后通常难以继续使用。

那么，吸能材料在受损之后，能否修复并再次使用？

  加州大学洛杉矶分校（UCLA）金丽华教授团队围绕这一问题，开发了一种新型3D打印聚合物结构——弹性辅助自修复工程结构（Elastically Assisted Self-healing Engineered Structures，EASE）。这一体系将能量耗散、弹性回复和热触发自修复集成到同一种材料中。

  相关工作以Lightweight reusable energy-absorbing multiscale structures by polymerization-induced phase separation in 3D printing为题发表在Materials Today上。这项研究的重点并不是简单地避免材料发生损伤，而是通过微观相结构与宏观几何结构的协同设计，利用局部损伤耗散能量，同时借助弹性回复和后续修复恢复材料性能，从而兼顾吸能效果与可重复使用性。

材料如何实现“耗能—回复—修复”？

  EASE体系由两种力学性质差异明显的聚合物相组成：一类是刚性的玻璃态环氧相，另一类是柔性的橡胶态聚氨酯丙烯酸酯基体。受压时，柔性基体通过界面键将外部载荷传递到刚性环氧相，使环氧微区发生局部开裂和断裂，并在这一过程中耗散机械能。

  卸载后，橡胶态基体提供弹性回复，使受损区域几乎恢复原来的位置，并促使断裂面再次接触。随后通过加热触发可逆Diels–Alder反应，破裂的环氧区域可以进一步实现修复。两相在这一过程中承担不同功能：刚性环氧相通过局部损伤实现耗能，柔性基体则负责弹性回复，并为后续裂纹闭合和修复提供条件。

  因此，该体系并不是依靠单一机制获得吸能性能，而是将局部损伤耗能、弹性回复和热触发修复结合起来，使材料在承受冲击后仍有机会恢复大部分原有力学性能。

图1：EASE的工作机制

从微观尺度调控相结构

  EASE的性能不仅取决于两种聚合物本身的力学性质，也与其相组成和相形貌密切相关。研究人员通过调节环氧树脂与丙烯酸酯的配比，控制聚合诱导相分离（polymerization-induced phase separation，PIPS）过程中形成的微观结构。

  扫描电子显微镜结果显示，纯丙烯酸酯样品的截面相对均一；加入环氧组分后，连续的丙烯酸酯基体中逐渐形成分散的球形环氧微区。随着环氧含量进一步增加，相区的尺寸、比例和空间分布持续发生变化，并在较高环氧含量下出现明显的相形貌转变。

  这些微观结构变化同时伴随着材料力学响应的变化，说明刚性环氧相与柔性丙烯酸酯相之间的比例及其空间分布，会直接影响整体力学性能。也就是说，通过调节组分配比，可以在一定范围内调控PIPS形成的相结构，并进一步调节材料的刚度、变形能力和耗能行为。

  这种微观尺度上的相结构设计，是整个多尺度设计思路的重要组成部分。进一步结合3D打印后，还可以在更大的尺度上对结构几何形貌进行设计，从而同时调控材料本身的力学响应和结构层面的吸能行为。

图2：随着环氧树脂含量由0（0E）增加至90 wt%（90E），EASE微观相形貌的演变

3D打印将材料设计转化为功能结构

  为了进一步构建复杂的三维吸能结构，研究人员将PIPS与数字光处理（digital light processing，DLP）3D打印结合起来。在双固化环氧—丙烯酸酯树脂体系固化过程中，PIPS负责形成相分离的微观结构，而DLP则通过逐层选择性固化构建预先设计的宏观几何形貌。

  这种方法的特点在于，材料内部的相结构和外部的三维几何结构可以在不同尺度上分别进行调控。研究人员制备了多种超材料，包括梁式结构、板式结构以及三重周期最小曲面（triply periodic minimal surface，TPMS）结构，展示了该体系在吸能结构设计方面的灵活性。

  在力学测试中，均质材料在50%压缩应变下的比吸能达到1.77 kJ/kg；所构建的超材料则能够承受最高约0.6的压缩应变。经过热修复后，这些结构可恢复约98%的初始刚度和能量吸收能力。

  这些结果说明，将PIPS形成的相分离聚合物与3D打印结构设计结合，可以同时利用材料尺度上的损伤耗能和结构尺度上的变形吸能，并在修复后恢复大部分力学性能。

图3：3D打印超材料及其压缩测试

总结

  传统吸能材料通常依赖不可逆损伤来耗散机械能，因此较大的冲击往往意味着材料性能显著下降，甚至无法继续使用。EASE提供了另一种设计思路：材料可以先通过局部损伤耗散能量，再依靠柔性基体的弹性回复使受损区域重新接触，最后通过热触发的可逆反应实现修复。

  这项工作将聚合物化学、微观相形貌和宏观结构设计结合在同一体系中，为轻质、可修复、可重复使用的吸能材料提供了一种新的设计路径。其潜在应用包括可重复使用的防护结构以及其他需要吸收机械冲击能量的工程部件。

  当然，距离实际应用仍有一些问题需要进一步研究，包括不同加载速率下的力学响应、多次损伤—修复循环后的性能保持，以及热处理条件在实际应用中的可行性。

  从更广的角度来看，这项工作的意义在于，吸能材料的“损伤”并不一定意味着使用寿命的终点。如果能够在材料设计阶段同时考虑能量如何耗散、结构如何回复以及损伤如何修复，就有可能进一步兼顾材料的吸能性能、耐久性和可重复使用性。

  原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702126003718