2025 年 4 月 23 日，休斯頓大學(xué)（University of Houston）的研究人員取得重大突破，成功將古老設(shè)計智慧與現(xiàn)代材料科學(xué)相融合，開發(fā)出一種新型陶瓷結(jié)構(gòu)——這種結(jié)構(gòu)可以在壓力下彎曲而不會斷裂。這項技術(shù)的潛在應(yīng)用范圍從醫(yī)療假肢到航空航天和機器人領(lǐng)域的抗沖擊部件，這些領(lǐng)域?qū)p質(zhì)但堅韌的材料有很高的需求。
傳統(tǒng)陶瓷以脆性著稱，在應(yīng)力下易碎裂，難以應(yīng)用于高沖擊或適應(yīng)性場景。但這種情況可能很快就會改變，因為由機械和航空航天工程助理教授Maksud Rahman和博士后研究員Md Shajedul Hoque Thakur領(lǐng)導(dǎo)的UH研究團(tuán)隊采用折紙啟發(fā)的結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)合柔性聚合物涂層技術(shù)成功將脆性陶瓷轉(zhuǎn)變?yōu)閳皂g、柔性的新型結(jié)構(gòu)材料。該研究成果最近發(fā)表在《Advanced Composites and Hybrid Materials》期刊上。
Rahman教授表示："陶瓷材料雖然具有生物相容性、輕量化等優(yōu)勢，但其災(zāi)難性斷裂特性限制了應(yīng)用。我們的目標(biāo)是將其轉(zhuǎn)變?yōu)楦踩煽康氖Ｊ健?
圖?三浦折疊結(jié)構(gòu)，來源：MetaNest - Own work, CC BY-SA 3.0
為此，該研究團(tuán)隊通過3D打印技術(shù)制作基于三浦（Miura-ori）折疊構(gòu)型的陶瓷結(jié)構(gòu)，并涂覆可拉伸的生物相容性聚合物。由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)可以以普通陶瓷無法處理的方式處理應(yīng)力。當(dāng)沿不同方向壓縮時，涂層結(jié)構(gòu)會彎曲并恢復(fù)，而未涂層結(jié)構(gòu)則會開裂或斷裂。
Thakur博士表示："折紙幾何結(jié)構(gòu)賦予材料機械適應(yīng)性，而聚合物涂層則提供了恰到好處的柔性來防止突然斷裂。"
研究人員對材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)壓縮和循環(huán)壓縮測試，并通過計算機模擬驗證了實驗結(jié)果。測試結(jié)果顯示，經(jīng)過涂層處理的樣品始終表現(xiàn)出更強的韌性——特別是在原始陶瓷材料最薄弱的受力方向上，性能提升尤為顯著。
Rahman教授強調(diào)："折紙不僅是一門藝術(shù)，更是強大的設(shè)計工具，它能重塑我們應(yīng)對生物醫(yī)學(xué)和工程領(lǐng)域挑戰(zhàn)的方式。這項工作證明，即使是最脆弱的材料，通過特定的折疊模式也能獲得全新的功能特性。"
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