微结构材料可通过其自身几何结构获得优异刚性和强度，同时兼具超轻的质量特性。然而，由于材料复杂的几何结构容易产生应力集中，从而导致其结构易受疲劳破坏。因此，如何平衡微结构材料的疲劳寿命与刚度、强度和其他所需特性，使其在耐久性设备中得到应用是一项重大挑战。
来自康奈尔大学ChristopherJ.Hernandez教授研究团队受到天然松质骨骼微观结构的启发，找到了延长这类结构疲劳寿命却极少增加自身重量的方法。研究团队分析了人类骨骼中水平支撑结构如何抵抗破坏的原理，并将这一原理转化为设计3D打印轻量化结构的方法。这类3D打印轻量化结构在应用于建筑物、飞机或其他领域时将具有足够的使用寿命。研究论文“Bone-inspiredmicroarchitecturesachieveenhancedfatiguelife”发表在《美国国家科学院院刊》中。
图1松质骨中微结构造成的疲劳损伤
如图1所示，垂直的柱状支撑结构与骨骼的刚度和强度相关，而水平的支撑结构与骨骼疲劳寿命有关。因此，在松质骨中，横向骨小梁在循环应力加载过程中通过组织损伤的累积作为牺牲元素，从而保护纵向骨小梁，而横向骨小梁的损坏会最终导致骨骼疲劳破坏。
图2松质骨模型中微观结构变化对其疲劳寿命的影响
如图2所示，通过研究3D打印的松质骨微结构模型发现，仅小幅增加其水平支撑结构单元厚度对模型整体密度和刚度的影响较少，但可以使材料的疲劳寿命增加2个数量级，远超均匀增加整个微观结构厚度时的效果。
图3八隅体桁架模型中水平结构单元体积变化对疲劳寿命的影响
如图3所示，为确定上述结果是否适用于其他模型结构，该团队通过3D打印构建了一个具有类松质骨微观结构的八隅体桁架模型。通过研究此模型在中/高循环疲劳测试时的性能可以发现，在八隅体桁架中，横向支撑厚度的增加导致其疲劳寿命增加了5倍，而只有轻微密度(+10%)和纵向刚度(+14%)的变化；说明上述结果并不仅适用于松质骨结构，而是可以扩展到其他合成微结构材料中。
由于增加水平支撑结构的厚度不会显著增加3D打印聚合物的重量，因此这种设计方式对于创建更具弹性和更长疲劳寿命的轻量化材料具有重要意义。
参考文献
TorresA.M.,TrikanadA.A.,AubinC.A.,etal.Bone-inspiredmicroarchitecturesachieveenhancedfatiguelife.PNAS,,(49):-.
DOI:10./pnas.1905814
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