在日常生活与复杂工业环境中，机械冲击载荷带来的安全隐患始终是重大挑战。近年来，剪切变硬弹性体（Shear-Stiffening Elastomer, SSE）因其"遇强则强"的应变率强化效应和可调控的力学性能，成为柔性防护材料研究的热点。但现有SSE材料体系受传统硫化工艺限制，局限于各向同性系统，导致"静态易裂、动态易溃"的双重短板：准静态下断裂韧性不足，动态冲击下失效阈值较低，严重制约了其在实际工程场景中的应用前景。因此，如何突破各向同性系统的局限，实现SSE复合材料在宏观或多尺度层面的各向异性结构设计，以显著提升其准静态承载能力与动态缓冲性能，已成为推动该类材料向高性能化与智能应用拓展的关键科学问题。
针对上述问题，中国科学技术大学龚兴龙教授团队突破传统制备工艺限制，受自然界软硬相晶格结构的启发，创新性地提出混合式3D打印策略，实现剪切变硬弹性体复合材料的各向异性结构设计，研发出了具有增强机械性能的晶格结构软硬相弹性体复合材料。在该工作中，研究团队通过准静态力学行为表征和动态冲击实验，结合非接触式光学测量和有限元模拟，系统地揭示了晶格结构赋予的力学增强机制。研究结果表明，蜂窝结构TPR-SSE复合材料在准静态载荷下表现出卓越的承载能力，在动态冲击载荷下表现出优异的能量耗散性能。以此为基础，研究团队进一步集成基于深度学习算法的智能传感模块，成功开发出集结构可定制、优异缓冲能力以及步态识别功能的智能运动鞋，充分验证了该研究成果在运动防护场景中的实际应用价值，更为下一代智能可穿戴防护设备的结构-功能一体化设计提供了全新范式。
2025年4月26日，相关成果以“Hybrid Additive Manufacturing of Shear-Stiffening Elastomer Composites for Enhanced Mechanical Properties and Intelligent Wearable Applications”为题，发表在国际著名材料科学类期刊《Advanced Materials》上。
图1. DIW-FDM混合式3D打印制备工艺
本研究提出了一种创新性的混合式3D打印策略，能够精准实现软硬相复合结构的可定制化结构设计。具体而言，研究团队通过融合熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）技术和直墨书写（Direct Ink Writing, DIW）技术两种3D打印技术在软相剪切变硬弹性体（SSE）中引入具有优异准静态承载能力和热稳定性的硬相热塑性橡胶（TPR）晶格骨架，成功制备出了一种具有仿生软硬相晶格结构的TPR-SSE复合材料。在硬相静态承载和软相动态缓冲协同作用下，TPR-SSE复合材料具有显著增强的力学性能。
图2. SSE的基础力学行为和TPR-SSE界面粘结性能表征
软相SSE主要由剪切变硬凝胶SSG和硅橡胶VMQ组成，通过流变学振荡剪切测试、单轴拉伸与压缩实验，研究团队系统研究了SSE体系中组分配比对其力学性能的影响。结果表明，随着SSE中的SSG含量的提升，SSE的柔性、粘性以及应变率强化效应呈现出显著增强趋势。另外，具有较高SSG含量的软相SSE在硫化过程中能与硬相TPR形成更强的界面黏结，大幅提升了复合材料的界面强度与结构稳定性。
图3. TPR-SSE复合材料的变形机理
为探究结构设计策略对材料宏观力学性能的影响，研究团队对四类不同晶格结构（蜂窝形、正方形、三角形、互锁形）的TPR-SSE复合材料开展了准静态拉伸实验，并结合光学原位测量方法计算了拉伸过程中的应变场分布。在拉伸载荷条件下，由硬相晶格骨架主导复合材料的承载能力，其泊松比的差异显著影响复合材料的应变分布和形貌演化。值得关注的是，具有较低正值泊松比的蜂窝结构可有效调节软相SSE的局部应力集中，降低界面剥离与横向压缩失稳风险，从而显著提升材料在准静态条件下的整体力学性能。
图4. TPR-SSE复合材料的冲击防护性能
为进一步探究TPR-SSE复合材料的软硬相晶格结构的力学增强机制，研究团队构建了落锤冲击测试平台，并辅以光学原位测量与有限元仿真分析方法，系统表征了不同结构策略下复合材料的动态失效行为。在动态冲击过程中，粘弹性软相SSE凭借独特的应变率强化效应耗散了大部分冲击动能，而硬相晶格TPR骨架为复合材料提供了坚固的结构支撑并显著抑制整体变形。软硬相晶格结构设计策略有效地提升了复合材料在动态冲击载荷下的失效阈值，显著增强了其动态缓冲性能，其中蜂窝晶格结构展现出最优化的力学增强效果，彰显了该类结构在动态冲击防护应用中的工程潜力。
图5. 深度学习算法驱动的智能化应用
综上研究成果，蜂窝晶格TPR-SSE复合材料兼具优异的准静态承载能力与动态冲击缓冲性能，充分体现了仿生软硬相晶格结构设计策略的协同力学性能增强优势。依托3D打印技术在结构可定制性上的独特优势，研究团队进一步将复合材料与深度学习算法驱动的无线传感模块集成，成功开发出具备实时监控、精确步态识别与个性化冲击预警功能的新型智能运动鞋。该智能可穿戴设备在多场耦合环境下具有稳定的力学性能和传感性能，充分展现了TPR-SSE复合材料在运动防护与智能健康监测等应用场景中的巨大潜力。
总体而言，本工作提出了一种基于混合式3D打印工艺的剪切变硬弹性体复合材料，通过仿生软硬相晶格结构设计策略显著提升了材料在准静态与动态冲击载荷下的综合力学性能。同时，凭借该材料体系的结构可定制化拓展性，研究团队面向智能穿戴领域开发出实用化样机，突破了传统剪切变硬材料在复杂工况中的应用瓶颈，为高性能柔性防护材料与下一代智能可穿戴设备的融合设计提供了全新思路。
中国科学技术大学工程科学学院硕士研究生杨俊杰为论文第一作者，龚兴龙教授和赵春宇特任副研究员为通讯作者。合作者包括中国科学技术大学硕士研究生赖树羽与王东鹏。该工作得到国家自然科学基金、博士后创新人才支持计划、中央高校基本科研业务费专项资金及安徽省自然科学基金的资助与支持。
原文链接：Yang JJ, Zhao CY*, Lai SY, Wang DP, Gong XL*, Hybrid Additive Manufacturing of Shear-Stiffening Elastomer Composites for Enhanced Mechanical Properties and Intelligent Wearable Applications. Advanced Materials, 202419096，2025.
https://doi.org/10.1002/adma.202419096
