2026年3月12日，南极熊获悉，德克萨斯农工大学和DEVCOM 陆军研究实验室的研究人员设计了一种复合材料，吸收的能量是传统衬垫的十倍。他们将 3D 打印的弹性骨架穿过普通的开孔泡沫，制成了一种价格实惠、重量轻的材料，同时又不牺牲耐用性和性能。
△德克萨斯农工大学穆罕默德·纳拉吉博士的团队。图片由德克萨斯农工大学提供。
这项成果的影响远远超出防护装备，凡是涉及能量吸收和需要轻量化的行业，例如：国防、汽车、航空航天和消费品等领域，都可能被重塑。
相关研究以题为“In-foam additive manufacturing:Elastomeric
cellular composites with tunable
mechanics”的论文发表在《复合材料结构》杂志上，由德克萨斯农工大学工程学院纳米结构材料实验室主任 Mohammad Naraghi
博士领导，并与 ARL 战略聚合物增材制造团队负责人 Eric Wetzel 博士合作完成。
两种材料如何协同作用
这种复合材料的制造工艺称为泡沫内增材制造（In-Foam Additive Manufacturing，简称IFAM）。与先制造单独的结构再与泡沫材料结合的传统方法不同，IFAM直接在现有的泡沫块内部沉积一层可拉伸的塑料支柱网络。这些支柱的几何形状，包括直径、角度和间距，都可以通过计算机控制的参数进行调整，以实现特定的力学性能。
△IFAMB.工艺概述，包括 (1) 将注射器置于泡沫上方，(2) 将注射器穿透泡沫，(3) 注入液体，同时 (4) 将注射器从泡沫中拔出，(5) 与 1 相同) 将针头置于新的穿透点上方C. IFAM 设置D.带有泡沫的树脂的HCP 图案E.压缩测试装置。
两种材料之间的物理相互作用使复合材料的性能超越了各部分性能的总和。在压缩初期，周围的泡沫材料约束支撑杆，防止过早屈曲。随着压力增大，支撑杆将力横向传递到相邻的泡沫材料中，从而将应力分散到更大的区域。这种相互传递的载荷作用会随着压缩的加深而持续，使复合材料能够承受更高的力并保持更长时间。
△嵌入普通泡沫中的3D打印塑料柱形成了一种混合型“超级泡沫”。图片来自德克萨斯农工大学。
Wetzel表示：“IFAM工艺结合了两者的优点，提供了一种低成本、可定制、高性能的复合能量吸收器。”
从军用头盔到乘客座椅
这种超级泡沫材料从一开始就由军方资助，首要目标是战场。军用头盔必须同时具备阻挡弹道弹丸和吸收跌落时的钝性冲击力的能力，而目前的衬垫在这两方面都难以胜任。韦策尔说：“头部和脑部损伤仍然是美国陆军关注的重点问题，任何能够提供更强防护、同时兼顾舒适性和轻量化的材料创新都是一项宝贵的进步。此外，IFAM工艺很容易转移到规模化的实际生产中。”
△泡沫和塑料支架在压力下相互连接。图片来自德克萨斯农工大学。
这种材料同样可以直接应用于民用领域。自行车、摩托车和运动头盔、汽车保险杠、车门内饰板以及儿童安全座椅都在团队的研究范围内，他们将同样的能量捕获原理应用于道路和高速公路上的碰撞防护。
声学控制和个性化舒适度
这种复合材料的可调结构也开辟了第二个前沿领域：声学。由于支柱几何形状可以精确配置，研究人员认为，针对特定声学频率的复合材料可以捕获并消除特定声学频率，例如飞机机舱内的嗡嗡声、汽车中的道路噪音或建筑物中的尖锐共振。纳拉吉说：“声学应用仍处于早期研究阶段，但我们希望进一步探索这一特性，将泡沫材料变成一种比现有材料性能更优异的主动声波滤波器。”对于普通消费者而言，同样的调节功能可以实现区域定制，在单个床垫、椅子或靠垫内设计不同的硬度级别，以适应人体而不是通用标准。纳拉吉说道：“我们的混合泡沫材料可以根据您的不同喜好调整坐垫的不同区域，例如颈部较硬、背部较软、腿部中等硬度。它可以完全根据个人的需求、舒适度和生理特点进行定制。”
△嵌入普通泡沫中的3D打印塑料柱形成了一种混合型“超级泡沫”。图片来自德克萨斯农工大学。
挑战与局限
这种复合材料最直接的局限性在于反复冲击。测试表明，在第一次压缩循环后，平台应力下降了25%，这可能是由于泡沫-支撑杆界面处的部分脱粘造成的。此后性能迅速稳定，在接下来的九个循环中仅损失了4%，但首次冲击造成的性能损失对于那些头盔或安全座椅必须在初始冲击瞬间就发挥全部性能的应用来说是一个值得关注的问题。此外，这项研究是在树脂工作窗口不到一小时的小型实验室样本上进行的，这意味着在受控条件下实现的精度尚未在研究人员所瞄准的工业规模上得到验证。
增材制造与泡沫技术的融合不再是一个新兴的概念，它正在成为研究实验室和工业界的主流设计理念。两项并行努力清晰地展现了这一发展轨迹：EOS
、Arkema、General Lattice和DyeMansion通过“数字泡沫建筑师”网络将其商业化。团队致力于 3D
打印柔性晶格结构，以在消费品、医疗和工业产品中复制并超越泡沫材料的性能。
与此同时，圣地亚哥州立大学的研究人员证明，粘合在泡沫芯材结构上的 3D 打印连续碳纤维超材料可以针对特定的冲击速度进行调整。这两项努力都表明，泡沫材料本身的性能已达到极限，而增材制造是突破这一瓶颈的关键工具。IFAM技术的独特之处在于它深入材料内部的程度。其他方法通常是在泡沫材料周围或表面进行打印，而IFAM则将结构嵌入其中，使两种材料在机械上密不可分，而非仅仅相邻。正是这一点，使得这项研究并非在竞争激烈的领域中又添新成员，而是将两种技术深度融合，开创了一种全新的策略。
来源：南极熊
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