图a：聚合物涂层陶瓷点阵结构（PCCLSs，Polymer-Coated Ceramic Lattice Structures）的宏观形貌；图b：PCCLSs的准静态压缩力学性能与能量吸收；图c：基于Timoshenko梁理论的结构弹性模量与抗压强度预测模型；图d：PCCLSs与其他多孔陶瓷点阵结构的比抗压强度/比能量吸收对比及生物医学植入应用前景

陶瓷点阵结构（Ceramic Lattice Structures，CLS）兼具高强度、低密度、高比表面积和可设计性强等优势，在轻量化工程、极端环境承载和生物医学植入等领域应用前景广阔。但陶瓷材料的本征脆性使其在承载时易发生突发性脆断，裂纹萌生与扩展难以有效抑制，工程应用因此受限。将聚合物引入陶瓷点阵构建复合材料，已成为提升陶瓷点阵损伤容限的重要仿生策略，然而涂层厚度对结构力学性能的定量影响及相应的力学预测模型，仍缺乏系统研究。

近日，中国科学院沈阳自动化研究所工艺装备与智能机器人研究室研究团队受生物材料“硬-软”多级复合结构启发，提出并制备了聚合物涂层陶瓷点阵结构（PCCLSs），系统揭示了涂层参数对力学性能的调控规律，并建立了基于Timoshenko梁理论的力学预测模型。

研究团队采用光固化增材制造技术制备了BCC型Al₂O₃陶瓷点阵结构，并通过热辅助快速浸涂工艺在陶瓷表面均匀包覆酚醛树脂涂层。通过调控浸涂循环次数，实现涂层厚度的可控制备，形成“硬”相陶瓷与“软”相树脂相互协同的复合结构。在此基础上，研究团队设计了20%、30%和40%三种相对密度，系统考察了0至10次浸涂循环下PCCLSs的准静态压缩力学性能。

力学测试与数值模拟结果表明：一是涂层厚度可控、力学增强显著，随着浸涂次数增加，PCCLSs杆径呈稳定线性增长，涂层厚度得到有效调控;二是协同效应明显、能量吸收提升突出，复合结构的强度高于陶瓷与树脂强度的线性叠加，且涂层越厚协同增强效果越显著；三是失效模式由脆性向准延性转变，未涂层结构在压缩下表现为突发性脆断和杆件脱附，涂层后裂纹在陶瓷内部发生偏转、分支和止裂，树脂层对陶瓷碎片形成“束缚”作用，结构由此呈现准延性失效特征；四是理论模型可靠，研究团队基于Timoshenko梁理论，考虑陶瓷芯部与树脂涂层的协同变形并引入偏差系数，建立了PCCLSs弹性模量和抗压强度的预测模型，预测结果与实验及有限元模拟吻合良好，为PCCLSs的理性设计提供了理论工具。

该研究为高性能、高损伤容限、轻量化陶瓷复合结构的设计提供了实验与理论框架。仿生聚合物涂层策略有效缓解了陶瓷点阵脆性大、能量吸收能力差的瓶颈，所制备的PCCLSs在生物医学植入、航空航天、防护结构与轻量化工程等领域具有广阔应用前景。

研究成果以Additively manufactured bioinspired polymer-coated ceramic lattices: on the role of coating thickness and mechanical modeling为题，发表于结构工程领域国际期刊Engineering Structures。论文第一作者为沈阳自动化所硕士研究生钟科，通讯作者为沈阳自动化所赵宇辉研究员、大连医科大学附属第一医院陈剑锋教授。

该研究得到国家自然科学基金、中央引导地方科技发展资金、辽宁省科技计划、广东省重点领域研发计划等项目支持。（工艺装备与智能机器人研究室）

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2026.123693

DOI:10.1016/j.engstruct.2026.123693