摘要：受自然界多孔结构的启发，人们进行了无数尝试来生成多孔结构。由于表面光滑、多孔结构高度互联、几何形状数学可控等特点，三重周期极小曲面 (TPMS) 近年来成为构建多孔结构的杰出解决方案。目前，TPMS在多个学科领域展现出卓越的应用潜力。以下将重点探讨它在机械、热
受自然界多孔结构的启发，人们进行了无数尝试来生成多孔结构。由于表面光滑、多孔结构高度互联、几何形状数学可控等特点，三重周期极小曲面 (TPMS) 近年来成为构建多孔结构的杰出解决方案。目前，TPMS在多个学科领域展现出卓越的应用潜力。以下将重点探讨它在机械、热、生物、化学、声学和光学领域的代表性应用。
奇遇科技用DLP陶瓷3D打印出来的TPMS结构
一.机械应用
TPMS 多孔结构的力学性能已被系统研究。由于具备优异的能量吸收特性，TPMS 可用于能量吸收器或冲击吸收器，同时其机械振动带隙特性使其成为理想的隔振器。在相同体积下，TPMS 结构的重量远低于传统实体结构，从而实现材料与能源的高效利用。
在航空航天和汽车工程中，TPMS 夹层板的应用日益增长。传统夹层板通常采用晶格芯，而最新研究表明，TPMS 夹层板在弯曲性能和能量吸收方面表现更优，并通过实验验证了 TPMS 夹层在强度、模量和刚度重量比方面的优越性。
TPMS 还可直接作为工程结构件，例如涡轮叶片。研究表明，通过拓扑优化设计 TPMS 的孔隙率分布，可实现结构轻量化，并提升应力分布与形变控制能力。此外，TPMS 在软体机器人关节设计中展现了潜力，可通过调整结构参数实现线性变刚度。有研究进一步利用 TPMS 结构开发柔性铰链，实验表明 P 面 TPMS 结构比传统叶片式铰链具有更好的柔顺性和柔顺率。
图源OptFutureTPMS晶格库
二.热应用
由于 TPMS 具有高比表面积，其在热传递领域展现出卓越性能，主要用于热交换器。研究表明，D面 TPMS 结构可有效提升空气与热源之间的传热效率，而减少壁厚可进一步增强换热效果。此外，TPMS 结构已被应用于超临界二氧化碳布雷顿循环，以改善换热效率。G和D结构表现出较低的流动分离，并可显著提高湍流动能，从而提升传热速率（比传统印刷电路热交换器高 16%~120%）。
然而，相较于其他应用领域，TPMS 在热领域的研究仍处于起步阶段。未来的研究可进一步探索如何在体积最小化的前提下提升 TPMS 热交换器的传热效率。
3D打印TPMS结构
三.生物应用
TPMS 结构因其光滑表面、高孔隙互连性和可调机械性能，在生物医学领域受到广泛关注。研究表明，TPMS 组织工程支架比传统盐浸支架具有更优细胞渗透性（高 10 倍），可促进细胞附着与生长。此外，TPMS 结构被用于骨缺损填充物，其力学性能可通过参数调节精确控制。
还有研究表明，TPMS 结构能够显著促进早期骨整合，并在植入5周后形成稳定界面。相较于晶格结构，TPMS 支架的骨生长表现更优，且抗疲劳性能更强。此外，TPMS 支架的孔径可根据骨骼不同阶段的需求进行优化，以实现最佳骨整合。
近年来，TPMS 还被用于金属骨植入物研究，并成功模拟皮质骨与小梁骨的结构特性。此外，TPMS 结构的半月板植入物、颅面骨修复等应用均展现出其在生物工程中的巨大潜力。
TPMS 结构的生物应用。（a）TPMS 与盐浸支架的组合。（b）TPMS 用作骨缺损填充物。（c）TPMS 支架的组织学结果。（d）格子支架和 TPMS 支架之间的比较。（e）不同骨阶段的首选 TPMS 孔径。 (f) TPMS 金属骨。
四、化学应用
TPMS 的高比表面积和互连孔隙使其在化学反应领域具有独特优势，可用作催化剂载体、反应器结构等，以提高化学反应效率和质量。
在电池领域，TPMS 结构被用于新型电池的设计，可有效优化阳极与阴极的分布，提升电池稳定性，同时减少内部空间占用。研究表明，相同层尺寸和材料的 TPMS 电池相比传统电池可节省 4700 倍空间。
TPMS 还可用于氢能催化反应。研究显示，TPMS 结构的催化剂载体可显著提高甲醇蒸汽重整的制氢效率，并优化流场和反应速率。此外，TPMS 结构在 CO₂ 甲烷化、太阳能蒸汽生成以及吸水膜等领域的应用均展现出其在化学和能源工程中的广泛前景。
未来，异质 TPMS 结构的开发可进一步提升其在催化、储能和化学分离等领域的性能。
TPMS 结构的化学应用。(a) TPMS 电池。(b) TPMS 催化剂载体。 (c) TPMS 微反应器。 (d) 基于 TPMS 的太阳能蒸汽生成装置。 (e) TPMS 吸水膜。
五、声学与光学应用
TPMS 结构的光滑表面和复杂孔隙网络不仅增强了化学和生物领域的应用优势，还为吸波、隔音及光子应用提供了可能。研究表明，TPMS 结构可有效吸收微波辐射，并实现-23.5dB的最小反射损耗。此外，TPMS 结构可作为声子晶体，阻止特定方向的声波传播。
在光学应用方面，TPMS 结构可用于设计光子晶体，并通过压缩负载调整反射频率，满足复杂环境需求。此外，TPMS 还可用于生成光学超材料，并在 G 结构中实现线性二向色性。
未来，利用 TPMS 结构的渐变设计和异质优化，或将进一步拓展其在光子与声子超材料领域的应用边界。
TPMS 结构的声学和光学应用。（a）TPMS 电磁微波吸收器。（b）TPMS 的声学带隙。（c）具有完整声子带隙的 TPMS。（d）TPMS 光子晶体。（e）TPMS 光学超材料。
六、结语
TPMS 结构因其卓越的几何特性、可调的物理性能以及先进的制造工艺，在机械、热传输、生物医学、化学、声学和光学等多个领域展现出巨大应用潜力。未来，通过优化 TPMS 结构设计与制造工艺，其应用将进一步拓展，并在多个学科领域发挥更大作用。
来源：奇遇科技ADTE
