硅酸盐水泥基混凝土是地球上应用最广泛的材料。水泥的制造是一个能源和排放密集型的过程，约占全球二氧化碳排放的8%。地聚物是由碱性活化剂与粉煤灰、硅粉和矿渣等工业副产品反应形成的，自20世纪70年代以来就引起了公众的兴趣。地聚物生产过程中的温室气体排放量比同等量的普通波特兰水泥低60%。当适当设计和生产时，它们还表现出优越的长期耐久性和保温性能，并在许多应用领域被认为是水泥的可能替代品。然而，地聚物的低强度和脆性失效性质的问题是其广泛应用的主要障碍。因此，我们应用了多种增强剂，包括石墨烯、纳米管、颗粒、短纤维和连续纤维。其中，纤维的增强效果最好，所得复合材料的力学性能较高，特别是韧性。
近年来，地聚物的流变特性控制良好，通过3D打印形成复杂的组件，进一步扩大了其应用领域。连续纤维增强地聚物复合材料具有优越的力学性能，但需要指出的是，这种复合材料的3D打印非常复杂。与连续纤维相比，短纤维对地聚物/水泥材料也表现出可接受的强化效果。同时，3D打印可应用于短纤维/地聚物形成复杂的结构，实现了纤维对齐，进一步提高了复合材料的力学性能。
虽然添加短碳纤维可以解决CsfGP复合材料的强度问题，但如何通过结构设计在不影响其力学性能的情况下降低块状地聚物复合材料的重量成为目前的重点，这将拓宽地聚物复合材料的应用领域。目前，克服复合材料的脆性和降低其重量的结构设计的主要灵感来自于生物结构-布林根结构，这种结构在鱼、螃蟹和昆虫的外骨骼中普遍存在。例如，巨骨舌鱼的鳞片是胶原纤维，呈正交或层状旋转（像螺旋楼梯）。这种独特的结构将导致每一层机械性能各向异性。同时，布林根结构中裂纹发展更容易在平面上横向扩散，而垂直方向的传播路径更加曲折。最近的研究表明，引入布林根结构可以增加复合材料各向异性的力学性能。
简而言之，通过内部结构设计来降低CsfGP复合材料的重量，提高缺陷敏感性，将为其的应用提供新的前景，特别是在几何灵活性、降低劳动力成本和安全方面。最重要的是，具有布林根结构的地聚物复合材料有望应用于各种复杂和特殊的应用，如抗冲击结构、减震器、轻质结构，甚至军用装甲内的轻质绝缘中间层。
近日，哈尔滨工业大学的Ma Siqi（第一作者），He Peigang（通讯作者）及其团队，在《Composites Part B》上发表了题为“3D-printing of architectured short carbon fiber-geopolymer composite”的文章，该文首次利用3D打印技术制备了布林根结构的CsfGP复合材料。所得复合材料具有轻质、高强韧性、非脆性失效模式等优点。同时，系统地研究了3D打印CsfGP的流变性能、微观结构和力学性能。
图 1 CsfGP复合材料打印流程图
图 2 3D打印出的CsfGP复合材料
图 3 模型和有限元边界条件示意图
图 4 含不同浓度低碳纤维的改性和未改性地聚物的流变学性能
图 5 不同含量短碳纤维的CsfGP复合材料的力学性能
图 6 具有不同短碳纤维含量复合材料的典型断裂形貌
图 7 CsfGP拉出的力-位移曲线
图 8 布林根结构在弯曲试验中的力学响应
图 9 弯曲试验后，各种三维打印布林根结构的有限元模拟结果、裂纹路径和断裂模式
图 10 （a-d）弯曲试验后的90◦结构I/II的有限元模拟结果、裂纹路径和断裂模式；（e-h）30◦/45◦结构I/II中的有限元模拟结果，（i）不同结构模拟结果的比较
该文首次报道了具有各向异性复杂网格结构的CsfGP复合材料的挤压3D打印技术。3D打印复合材料的力学性能和断裂力学分析表明，改性的布林根结构中复杂的层间结构和力学各向异性显著提高了CsfGP复合材料的抗断裂性和裂纹取向的不敏感性。该研究将为3D打印轻量级地聚物复合材料的未来应用提供理论基础和实验支持。
原始文献：Ma Siqi , Yang Hualong , Zha Shenjian，et al.3D-printing of architectured short carbon fiber-geopolymer composite[J].Composites Part B，2021，226：109348.
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