在建筑领域，水泥基材料虽然成本低廉、适应性强，但其脆性大、抗拉强度低和易开裂的固有缺陷始终是制约其结构应用的核心瓶颈。普林斯顿大学工程师团队近日从深海玻璃海绵的骨架结构中找到了解决这一难题的灵感，开发出一种多材料3D打印水泥基复合材料。
维纳斯花篮的结构密码
深海玻璃海绵，特别是被称为「维纳斯花篮」的偕老同穴海绵，其骨架结构由硅质骨针组成，呈现出一种独特的软硬交替层状排列方式。这种结构在亿万年的自然选择中演化出了惊人的力学性能——既具有足够的刚性来支撑海流冲击，又具有足够的韧性来抵抗裂纹扩展。
普林斯顿大学研究团队对这一天然结构进行了深入的力学分析和数学建模。他们发现，玻璃海绵骨架中的软硬交替层并非简单的材料叠加，而是通过精确的界面设计实现了应力分布的优化。当外部载荷作用于骨架上时，应力会在软硬材料的界面处发生重新分布，硬质层承担主要的载荷，而软质层则作为缓冲层吸收和消散能量，阻止裂纹延伸。
通过对这种结构机理的深入理解，研究团队设计出了对应的3D打印策略。他们在打印砂浆过程中，精确地在特定层位嵌入薄层聚合物弹性体，模拟玻璃海绵骨架中的软质夹层结构。
3D打印水泥基复合材料的性能飞跃
研究团队将这种新型水泥基复合材料称为结构水泥基复合材料（ACC）。在3D打印过程中，标准水泥砂浆通过一个挤出喷头沉积，而聚合物弹性体则通过第二个喷头在预定位置注入，形成厚度仅为数百微米的软质夹层。
力学测试的结果令人震惊。ACC的断裂韧性比传统水泥基材料高出187倍，延展性高出22.6倍。在三点弯曲测试中，传统的钢筋混凝土试件在达到峰值载荷后迅速断裂，表现为典型的脆性破裂。而ACC试件在达到峰值载荷后并未立即断裂，而是呈现出延性破坏特征——试件底部出现大量微裂纹，但整体结构仍然保持完整，继续承载的能力几乎没有下降。
这种性能飞跃源于多材料3D打印构建的软硬交替结构对裂纹扩展机制的根本性改变。在传统水泥基材料中，一旦裂纹萌生，就会迅速扩展并贯穿整个截面，导致灾难性的脆性断裂。而在ACC中，当裂纹遇到弹性聚合物夹层时，裂纹尖端的应力集中被迅速分散，裂纹被「钝化」并被迫转向，沿着界面层横向扩展而不是继续向纵深发展。这一过程消耗了大量的断裂能量，大幅提升了材料的整体韧性。
建筑3D打印材料的技术突破
ACC的研发成功不仅是材料科学的重要突破，更为建筑3D打印领域提供了一个全新的技术方向。当前建筑3D打印面临的核心挑战之一就是打印材料的力学性能无法满足结构应用的要求。大多数建筑3D打印项目使用的砂浆材料在试件级别展示出的抗压强度尚可，但在实际结构中的抗裂性能和耐久性仍然远远落后于传统钢筋混凝土。
普林斯顿大学的这项研究证明，通过精巧的材料设计和制造工艺，3D打印建筑材料的性能完全可以超越传统材料。研究团队表示，下一步的工作重点是优化聚合物夹层的分布密度、空间取向和界面结合质量，进一步探索ACC在梁、柱和楼板等实际建筑结构件中的应用潜力。
来源：3DPrint.com