伊朗科技大学的研究人员成功利用PLA材料3D打印出四种混合拉胀超材料结构，其比能量吸收（SEA）最高可达6024 J/kg。

该项研究发表于2025年10月30日的《Scientific Reports》期刊，通过结合蜂窝状、立方体和四手性单元结构，显著提升了能量吸收性能。

这些结构可广泛应用于抗冲击保护和生物医疗设备等轻量化应用场景。



研究团队基于先前研究中表现出优异抗压性能和拉胀行为的单元结构，选定了三种单元类型。

他们通过组合现有最优结构，开发出四种混合配置：蜂窝-立方（HC）、蜂窝-四手性（HT）、四手性-立方（TC）以及蜂窝-四手性-立方（HTC）。

所有结构均通过CATIA进行建模，并利用Creality K1 3D打印机进行制造。

打印参数为：PLA材料、180°C打印温度、0.2mm层高、100%填充率及20mm/s的打印速度。

压缩测试遵循ASTM D695标准，在Santam STM-400设备上进行，同时使用Abaqus/Explicit 2018进行了有限元模拟。



测试结果显示，蜂窝-四手性（HT）结构的能量吸收表现最佳，达到6024 J/kg，约为实心PLA（1810 J/kg）的三倍。

次优的HTC结构为4756 J/kg，随后是HC（3374 J/kg）和TC（2101 J/kg）。

尽管这些混合结构比实心对照组轻约50%，但它们吸收的能量显著更多，凸显了结合拉胀与手性几何结构的有效性。

HT结构之所以表现最优，是因为其在压缩曲线中拥有更长的平台区域，使其能够在更大范围的变形中持续吸收能量。

相比之下，TC样本虽表现出较高的峰值应力，但平台区域较短，限制了其整体SEA值。

所有结构均显示出-1.0至-1.7的负泊松比，证实了其拉胀特性。

HC结构的负泊松比最低，为-1.7，而HTC结构在适度的拉胀性和更均匀的层间变形之间取得了平衡。

数值模拟高度准确地再现了实验压缩行为。

研究报告了多种不同的失效机制，包括单元坍塌、蜂窝角开裂以及层间滑动（在TC结构中尤为明显）。

未出现分层现象，表明打印质量良好。

作者指出，仿真与实验结果之间的微小差异主要源于模型中使用的完全约束边界条件，未能完全模拟现实中的轻微移动。









图示为HT、HC、TC和HTC在压缩状态下的变形与冯·米塞斯应力分布。图片来源：《Scientific Reports》/ Shahmorad等人（2025）。

研究人员认为，这些混合PLA超材料表明，通过精心的单元选择和组合，可以超越更复杂的多材料或拓扑优化设计。

该方法为利用标准FDM设备生产轻量化、能量吸收或抗冲击部件提供了一种实用且低成本的途径。

研究指出，此类结构还可应用于生物医疗植入物、防护设备及其他需要定制机械响应和减重的组件。

未来的工作将研究3D打印PLA中的尺度效应、尺寸优化和各向异性，以进一步提升性能。

该研究建立在越来越多关于3D打印结构如何控制变形和能量耗散的研究基础之上。

今年早些时候，韩国研究人员开发出一种采用拉胀超材料的触觉传感器，以增强软电子设备的灵活性和应变敏感性。

RMIT的科学家则提出一种超刚性能量吸收晶格，旨在提升建筑应用中的安全性和耐久性。

最近，格拉斯哥大学与意大利研究人员的合作产生了一种通过受控扭转耗散冲击能量的“扭转变形吸收”超材料，突显了结构材料在车辆和基础设施安全中日益重要的作用。