香港城市大學陸洋教授課題組: 基于3D打印的仿生高韌機械超材料

來源： 摩方PuSL高精密

機械超材料通常是由諸多具有相同微結(jié)構(gòu)的基本單元堆疊而成。當受到較大外載荷作用時，其內(nèi)部具有均一結(jié)構(gòu)的單元會呈現(xiàn)出相同的變形失效形式，進而形成貫穿結(jié)構(gòu)整體的剪切帶并導(dǎo)致應(yīng)力與能量吸收等多種性能指標急劇下降，極大的限制其在實際工程領(lǐng)域的應(yīng)用。具有交錯層狀微納結(jié)構(gòu)的海螺殼以良好的吸能特性而聞名。其內(nèi)部獨特的軟-硬界面可在保證有效能量吸收的同時合理調(diào)控生成裂紋的走向，提高了整體破壞的能量吸收閾值。受此啟發(fā)，香港城市大學機械工程系的陸洋教授提出了一種獨特的機械超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計長程周期性概念：即在保留整體結(jié)構(gòu)周期性的基礎(chǔ)上引入了局域特殊性，從而同時實現(xiàn)機械超材料在受力變形過程中剪切帶均勻分布與尺寸縮減的目的。此外，基本單元節(jié)點異質(zhì)性帶來的約束梯度能夠?qū)崿F(xiàn)超材料內(nèi)部破壞位置與順序的有效調(diào)控。通過利用摩方精密開發(fā)的基于面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（摩方精密nanoArch P130, S140超高精度3D打印系統(tǒng)），實現(xiàn)了仿生機械超材料單元在微米尺度的高分辨制備。

圖1. 仿生機械超材料設(shè)計、制備與分析

隨后，作者對機械超材料進行了系統(tǒng)的實驗與仿真對比研究。傳統(tǒng)的BCC結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了沿45度方向的整體破壞并伴隨應(yīng)力的斷崖式下降。相比于BCC結(jié)構(gòu)，單層仿生機械超材料則展現(xiàn)出了多條分布均勻的剪切帶。由于特殊交錯層狀結(jié)構(gòu)的存在，其在壓縮過程中表現(xiàn)出了獨特的自增強響應(yīng)。通過擴展機械超材料長程周期性的維度，三層仿生機械超材料進一步表現(xiàn)出了更為優(yōu)異的機械性能指標以及跨層變形遲滯性。后續(xù)的有限元仿真分析進一步驗證了節(jié)點約束梯度對調(diào)控仿生機械超材料內(nèi)部破壞位置與順序的有效性。即使樹脂經(jīng)過高溫脆化處理，該結(jié)構(gòu)的比吸能指標依然能達到4544 kJ/kg。這一結(jié)果為高性能的仿生機械超材料設(shè)計提供了參考。

圖2.機械超材料壓縮實驗驗證

圖3. 機械超材料有限元模擬分析

該項成果獲得了深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究項目及香港城市大學研究項目經(jīng)費支持，以“Three Dimensional Printing of Bioinspired Crossed-Lamellar Metamaterials with Superior Toughness for Syntactic Foam Substitution”為題發(fā)表于美國化學會期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。

作者團隊簡介：陸洋，香港城市大學機械工程學系正教授，香港城市大學深圳研究院納米制造實驗室(NML)研究員、主任。主要從事微納米力學、原位電鏡及微納先進制造技術(shù)研究，特別是對于低維材料的力學行為及其尺度效應(yīng)的探索，促進其在微機械/機電系統(tǒng)及先進制造等實際應(yīng)用。陸老師與合作者在早前的研究中發(fā)現(xiàn)了超細金屬納米線的“冷焊”現(xiàn)象以及納米尺度下硅和金剛石的“超大彈性”，有望應(yīng)用于創(chuàng)新微電子以及量子器件。近年來也重點關(guān)注新型高熵、中熵合金的鍍膜技術(shù)及其機械性能尺度效應(yīng)的探索，為高、中熵合金在機械超材料和輕質(zhì)構(gòu)件等制造領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支撐，并取得一系列原創(chuàng)科研成果。他以第一或通訊作者在Science、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Science Advances、Nature Communications等學術(shù)刊物發(fā)表文章100余篇，并擔任Materials Today、Acta Mechanica Sinica、中國科學: 技術(shù)科學等學術(shù)期刊的編輯。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsami.2c12297