近年来，随着结构监测、智能传感和防护技术的发展，能够将机械刺激直接转化为可视化光信号的力致发光（ML）材料受到广泛关注，并在损伤监测、应力成像等领域表现出突出的应用前景。然而，现有ML材料通常局限于薄膜或简单二维构型，普遍存在小应变条件下发光信号微弱的问题，同时难以兼顾复杂三维构型制备与冲击防护应用需求。因此，如何突破传统制造工艺的固有局限，实现高保真复杂三维结构的精准构建，并进一步集成力学防护与可视化感知功能，是拓展ML材料工程应用亟待解决的关键科学问题。

  针对上述问题，中国科学技术大学龚兴龙教授团队提出了一种牺牲模具辅助3D打印制备策略，利用水溶性PVA牺牲模具实现复杂三维ZnS:Cu/PDMS力致发光结构的高保真制备，突破了传统脱模手段与直接墨水书写（DIW）技术的加工局限。该策略可推广至刚性ML复合材料体系，实现承重结构内部的应力可视化。进一步通过DIW技术填充柔性硅胶构筑负泊松比结构，依靠骨架-填充两相的协同变形调控应力传递行为，实现了冲击防护与可视化监测的功能集成。该工作为复杂力致发光结构的制造及其在智能防护与结构监测中的应用提供了新路径。

  2026年8月28日，相关研究以“Versatile sacrificial mold-assisted 3D printing for high-performance mechanoluminescent structures toward impact protection and visualization monitoring”为题，发表于材料领域顶级期刊《Advanced Materials》。论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士研究生段世龙，通讯作者为龚兴龙教授、桑敏特任副研究员和刘帅博士后。该工作得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、中国博士后科学基金和安徽省自然科学基金的资助与支持。

【牺牲模具辅助3D打印实现复杂力致发光结构高保真制造】

  本研究提出了一种FDM牺牲模具与DIW填充相结合的3D打印策略，通过水溶性PVA牺牲模具实现复杂二维、三维ZnS:Cu/PDMS力致发光结构的高保真制造，并可灵活构建多孔、负泊松比、薄壁、空心及TPMS等复杂结构（图1）。在此基础上，通过DIW将PDMS填充至负泊松比（NPR）力致发光骨架内部，构建了NPR-ML/PDMS复合结构，实现骨架-填充两相的协同变形和高效应力传递。上述结果验证了该制造策略在复杂力致发光结构构筑、性能调控及功能集成方面的有效性。

图1. ZnS:Cu/PDMS结构的制备与表征

【力致发光响应与力学行为的定量关联】

  为揭示ZnS:Cu/PDMS力致发光性能与动态力学行为之间的关联，系统考察了不同应变和应变速率下的力致发光响应（图2）。结果表明，力致发光强度与应变呈准线性关系，而在力学性能基本不变的情况下，提高应变速率可使力致发光强度提升9.6倍，证明应变速率可独立调控力致发光输出。值得关注的是，在大应变下，力致发光积分强度与应力变化呈现显著的对应关系，可用于定量表征材料内部应力演化。此外，在裂纹扩展过程中，力致发光信号可实时捕捉裂纹萌生与快速扩展，其最大裂纹扩展速度达到190 mm/s，实现了结构损伤与断裂行为的可视化监测。

图2. ZnS:Cu/PDMS薄膜的力致发光性能与拉伸演化行为

【应变场-力致发光场定量映射实现高灵敏结构设计】

  为揭示应变分布与力致发光响应之间的定量关系，结合数字图像相关（DIC）技术，对中心开孔ZnS:Cu/PDMS薄膜进行应变场与力致发光场同步分析（图3）。结果表明，圆孔周围的力致发光增强区域与应变集中区域高度吻合，近孔区力致发光强度和应变分别为远场区域的2.56倍和2.51倍，建立了力致发光强度与局部应变之间的定量关联。基于此，利用多孔结构调控局部应力分布的特点，构建了P-ML/PDMS高灵敏力致发光结构。利用孔边局部应力与应变放大效应，该结构在10%应变下的力致发光强度提升30%，同时经PDMS填充后断裂强度提高153%，并在5000次循环拉伸后保持稳定发光，实现了高灵敏度与长期耐久性的协同提升。

图3 力致发光场与应变场的定量映射关系

【负泊松比力致发光结构实现冲击防护与可视化监测】

  为实现冲击防护与可视化感知的协同集成，通过DIW技术将PDMS填充至NPR骨架中，构建NPR-ML/PDMS三维复合结构。PDMS填充显著增强了结构的承载与耗能能力，使抗压强度由23.6 N提高至186.0 N，并在重复压缩后保持稳定。得益于负泊松比骨架的横向收缩，NPR-ML/PDMS能够增强对PDMS填充相的约束，促进骨架与填充相协同变形，从而实现更高效的应力传递和能量耗散。在1.56 J冲击能量下，其峰值冲击力较无防护状态降低91%，较实体ZnS:Cu/PDMS降低60%，同时保持优异的结构完整性和循环抗冲击性能（图4）。更重要的是，该结构在冲击过程中产生高强度且均匀的力致发光响应，能够直观揭示冲击加载过程中的动态变形行为与应力场分布特征。ML强度随冲击能量呈线性增长，可依托发光强度对外部冲击载荷实现定量解析。同时，NPR骨架与PDMS填充相的协同变形显著改善了局部应力传递效率，使得复合结构的ML强度较实体提高了89%，并表现出更优异的发光均匀性和冲击响应灵敏度（图5）。总之，该结构实现了冲击能量耗散与实时可视化冲击监测的协同统一。

图4. NPR-ML/PDMS复合材料的抗压强度和抗冲击性

图5. NPR-ML/PDMS的冲击可视化及发光增强机制。

【牺牲模具策略的通用性和可定制性】

  为验证牺牲模具策略在刚性体系中的适用性，研究团队进一步将其拓展至ZnS/CaZnOS:Mn²⁺/环氧树脂和CaZnOS:Pr, Li/丙烯酸树脂等刚性力致发光体系，成功构建了多种复杂二维及三维承载结构（图6）。通过力致发光成像，可直观呈现PPR和NPR等结构在压缩载荷下的应力分布，阐明其差异化承载与应力传递机制。实验结果表明，NPR结构可实现应力场的均匀化分布，同时具备更优异的能量吸收性能。上述研究充分证实，该策略适配多种ML填料与刚性聚合物体系，为发展高性能ML结构备提供了通用技术方案。

图6. 牺牲模具策略的通用性和可定制性。

【总结】

  总体而言，本研究提出了一种基于PVA牺牲模具的间接3D打印策略，实现了复杂力致发光结构的高保真制造，并建立了应变场与力致发光场之间的定量关联。借助多孔结构设计与DIW填充手段，实现了力致发光增强、冲击防护与实时可视化监测的一体化协同。该方法还可拓展至刚性聚合物基ML体系，实现承载结构应力可视化，为高性能力致发光结构的制造与智能应用提供了新路径。

  原文链接：Duan SL, Sang M*, Liu S*, Nie TX, Hu ZH, Wang PR, Yu JJ, Zhang ZT, Wang Y, Gong XL*, Versatile sacrificial mold-assisted 3D printing for high-performance mechanoluminescent structures toward impact protection and visualization monitoring [J]. Advanced Materials (2026): e74840.

  https://doi.org/10.1002/adma.74840