水泥基材料具有较高的强度和刚度，但其脆性特征使其在冲击等极端荷载作用下容易发生局部裂纹扩展甚至灾难性破坏。自然界中的许多生物材料虽然同样由相对脆性的组分构成，却能够通过复杂的内部结构实现优异的损伤容限和能量吸收能力。

  螳螂虾的捕食足是其中一个典型例子。其能够承受反复高速冲击而不发生灾难性破坏，这与内部独特的Bouligand结构密切相关。特别是在主要承受冲击的区域，纤维不仅呈逐层旋转排列，同时形成非平面的sinusoidal形结构。这种结构能够诱导裂纹发生偏转和扭转，并将局部损伤分散到更大的区域。

  受此启发，普渡大学 Yu Wang、Pablo D. Zavattieri 等研究人员利用挤出式3D打印，将这种非平面sinusoidal Bouligand architecture引入纤维增强水泥基材料，并研究打印产生的材料各向异性与仿生结构之间的协同作用 (图1)。

  2026年10月2日，相关研究以 “Nonplanar Bouligand Architectures for Enhanced Mechanical Performance in Cementitious Composites” 为题发表于 Advanced Materials。

图1｜螳螂虾捕食足微观结构及其对应的仿生3D打印架构。

  与传统逐层平面打印不同，该研究通过对打印路径的 X-Y-Z 三维运动进行主动控制，使纤维增强砂浆能够沿sinusoidal surface连续沉积，从而构建非平面的 Bouligand 架构。与此同时，短钢纤维在挤出过程中会优先沿打印方向排列，使打印结构形成“较强的打印材料—相对较弱的界面区域”所组成的局部各向异性结构。研究并没有试图消除这种各向异性，而是利用结构设计调控裂纹传播路径。

  力学测试首先揭示了3D打印纤维增强材料显著的方向依赖性，纤维在挤出过程中的定向排列能够明显提高沿特定方向的抗弯性能。在此基础上，研究比较了传统直线打印、planar Bouligand、sinusoidal Bouligand 和传统浇筑试件的压缩性能。常规直线打印试件中的层间弱界面和打印诱导缺陷容易形成相对集中的裂纹扩展路径，从而导致较低的强度和能量吸收能力。 相比常规直线打印试件，性能最优的 sinusoidal Bouligand 试件抗压强度提高 53.6%， work of failure提高 216.1%。更重要的是，相比传统浇筑试件，其抗压强度仍提高 13.5%，work of failure提高 35.4% (图2)。

图2｜不同3D打印结构在准静态荷载下的力学性能。

  考虑到螳螂虾捕食足最典型的功能之一就是抵抗高速冲击，研究进一步采用落锤实验比较不同架构在 冲击荷载下的动态响应 (图3)。在 70.9 J 冲击条件下，与传统浇筑纤维增强试件相比，sinusoidal Bouligand 架构的峰值冲击载荷提高 68.6%，吸收能量提高 49.2%；在较低冲击能量下，该架构同样表现出最高的峰值载荷和优异的能量吸收能力。不同试件冲击后的破坏形态也呈现出明显差异：传统浇筑试件和常规3D打印试件均出现严重的局部损伤，并最终发生整体碎裂；相比之下，planar Bouligand 和 sinusoidal Bouligand 试件在冲击后仍能保持较好的结构完整性，表明这种仿生架构能够有效抑制灾难性裂纹扩展和整体破坏。

图3｜不同结构试件的落锤冲击性能及冲击后的破坏形态。

  为了进一步理解性能提升机制，研究团队利用 Micro-CT 对冲击后的内部损伤以及纤维排列进行了分析 (图4)。结果显示，金属短纤维整体呈现与局部材料流动和打印路径一致的优先取向。这种局部纤维取向和材料各向异性为裂纹提供了空间上可设计的优先传播路径 CT 结果进一步观察到明显的界面裂纹、裂纹偏转以及次生裂纹。当裂纹进入纤维增强较强的丝材区域时，纤维桥联能够抑制其进一步扩展，使裂纹转向相对较弱的打印界面，并沿 Bouligand 架构发生偏转和扭转。由此，原本集中的局部破坏被分散到更大的材料区域，实现 damage delocalization，并提高整体能量耗散能力。

图4｜Micro-CT揭示的纤维取向、裂纹偏转和界面裂纹扩展机制。

  有限元模拟进一步验证了实验观察到的损伤机制 (图5)。传统浇筑和常规直线打印试件的损伤主要沿少数主裂纹高度集中，并快速贯穿试件；相比之下，planar Bouligand 和 sinusoidal Bouligand 架构中的损伤更加分散，完全损伤区域明显减小，并形成分布式损伤。 同时，planar Bouligand 和 sinusoidal Bouligand界面裂纹呈现明显的扭转和偏转，而常规打印试件主要形成较为平直的界面裂纹。实验与数值结果共同表明，界面裂纹偏转与扭转、damage delocalization 以及纤维桥联作用之间的协同机制，是这些仿生结构获得高损伤容限和高能量吸收能力的重要原因。

图5｜有限元模拟揭示不同架构的内部损伤与界面裂纹演化。

总结

  传统3D打印水泥基材料研究通常将打印产生的弱界面和材料各向异性视为需要消除或削弱的不利因素。本研究提出了另一种思路：与其完全消除这些特征，不如通过仿生架构对其进行主动设计和利用。通过将非平面的 sinusoidal Bouligand architecture 与3D打印诱导的纤维取向和局部各向异性结合，该研究实现了对裂纹传播、界面破坏及损伤演化的协同调控，使原本可能降低材料性能的打印界面转化为促进裂纹偏转、扭转和损伤分布的结构单元。该工作展示了如何进一步利用3D打印的设计自由度，通过相对简单的结构和打印路径设计获得传统浇筑方式难以实现的力学性能，为高损伤容限、高能量吸收水泥基复合材料以及面向基础设施的先进增材制造提供了新的设计思路。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.75205

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