普渡大学：灵感来自甲虫的3D打印水泥浆可抵御自然灾害

 

　　有史以来第一个生物启发的3D打印水泥浆有望使基础设施更加适应机械负载，如自然灾害期间发生的强力作用。

 

 

普渡大学：灵感来自甲虫的3D打印水泥浆可抵御自然灾害

图片来源：普渡大学混凝土3D打印团队/ Mohamadreza Moini

 

 

　　如果材料的固有弱点实际上在房屋和建筑物在火烧和地震中被放大怎么办？研究人员使用混凝土和砂浆等关键成分3D打印了水泥浆，用于建造基础设施的材料。自然界中有些生物结构在压力下变得更加坚韧，如龙虾和甲虫等节肢动物的壳。将生物结构应用到水泥浆中，该技术最终可以在自然灾害期间作为更具弹性的结构为减少损失做出贡献。

 

　　Purdue Lyles土木工程学院的教授Jan Olek说：“大自然必须应对存在的弱点才能生存，因此我们正在利用水泥基材料的'内置'弱点来提高它们的韧性。 使用受节肢动物贝壳启发的设计来控制材料的印刷层之间的损坏如何蔓延，例如试图打破一堆未经烹煮的意大利面条而不是单一的面条。普渡大学土木工程教授Pablo Zavattieri表示节肢动物的外骨骼具有裂缝扩展和增韧机制，我们 可以用3D技术打印水泥浆来复制这一特性。

 

　　3D打印的水泥基材料 - 例如水泥浆，砂浆和混凝土 - 将使工程师能够更好地控制设计和性能，但技术性已经阻碍了它们的扩展。普渡工程师是第一个使用3D打印的工程师 使用水泥浆创建生物灵感结构，如已发表的论文和即将出版的期刊Advanced Materials.杂志。

 

　　“3D打印已经消除了为每种类型的设计创建模具的需要，因此我们可以实现以前无法实现的水泥基材料的这些独特属性，”Purdue材料工程教授Jeffrey Youngblood说。团队是还使用微CT扫描来更好地了解硬化的3D打印水泥基材料的行为，并利用它们的弱特性，例如在印刷层之间的“界面”处发现的孔区域，这促进了裂缝。 这一发现最近在第一届RILEM混凝土和数字制造国际会议上发表。

 

　　“3D打印水泥基材料可以控制它们的结构，这可以导致产生更多的损伤和耐伤性结构元素，如梁或柱，”普渡大学博士Mohamadreza“Reza”Moini说。 土木工程的候选人。团队最初受到螳螂虾的启发，螳螂虾通过扭曲的裂缝消除能量并防止球杆分裂，从而使其猎物与“dactyl club”附件相互抵抗。

 

　　团队使用3D打印技术设计和制造的一些生物成分水泥浆元素包括“蜂窝”，“兼容”和“Bouligand”设计，称为“架构”。这些架构中的每一个都允许3D打印的新行为 元素一旦变硬。 例如，Bouligand建筑利用薄弱的界面使材料更具抗裂性，而柔顺的建筑使水泥基元件像弹簧一样，即使它们是由脆性材料制成。

 

　　该团队计划探索其他方法，可以设计水泥基元素来构建更具弹性的结构。该工作由国家科学基金会（Grant No. CMMI 1562927）资助。