香(xiang)港城大: 基(ji)於PμSL制(zhi)造(zao)的(de)雙相微(wei)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料及其無(wu)人(ren)機應(ying)用(yong)

近(jin)年來(lai)基(ji)於3D打(da)印(yin)的微(wei)格點(dian)陣(zhen)超(chao)材料吸(xi)引(yin)了(le)大量(liang)的關(guan)註，點(dian)陣(zhen)超(chao)材料(liao)具有優異的(de)比(bi)強度(du)、比(bi)剛度，良(liang)好的(de)減(jian)震(zhen)降噪、吸(xi)能(neng)緩沖(chong)效(xiao)果(guo)、突出的(de)吸(xi)聲(sheng)和屏(ping)蔽(bi)等許(xu)多(duo)*的功(gong)能(neng)特性，被(bei)譽(yu)為(wei)結構-功(gong)能(neng)壹(yi)體(ti)化材(cai)料，在生(sheng)物醫學(xue)、電(dian)池(chi)電極(ji)以及運(yun)動(dong)器材(cai)、無(wu)人(ren)機減(jian)重等領域都有*應(ying)用(yong)。其(qi)中，在無(wu)人(ren)機上(shang)應(ying)用(yong)超(chao)材料(liao)可以有效(xiao)減(jian)輕(qing)其(qi)重量(liang)，減(jian)少其(qi)飛行(xing)所需的(de)推力(li)和(he)功(gong)耗(hao)，從(cong)而(er)提高(gao)電(dian)池續(xu)航(hang)時(shi)間與(yu)飛行(xing)持續時(shi)間(jian)，進(jin)而(er)更(geng)好地拓(tuo)展無(wu)人(ren)機在(zai)民(min)用(yong)、偵(zhen)察，救援和(he)娛(yu)樂等領域(yu)的應(ying)用(yong)。此(ci)外(wai)，微(wei)格點(dian)陣(zhen)超(chao)材料出色(se)的(de)能(neng)量(liang)吸(xi)收能(neng)力(li)可(ke)以幫助(zhu)無(wu)人(ren)機抵(di)抗(kang)飛(fei)行(xing)過(guo)程(cheng)中的撞(zhuang)擊(ji)和碰撞(zhuang)，點陣鏤空(kong)結構還(hai)可以促進(jin)無(wu)人(ren)機的(de)散熱(re)。
為(wei)優化點陣(zhen)超(chao)材(cai)料的(de)機械性能(neng)，人(ren)們(men)提(ti)出了(le)多(duo)種(zhong)多(duo)樣的(de)設(she)計策(ce)略(lve)，其中，受晶(jing)體(ti)學(xue)啟(qi)發的(de)超(chao)材料(liao)設計策(ce)略(lve)頗具代表性。例如(ru)，已被(bei)廣(guang)泛(fan)采(cai)用(yong)的(de)經典(dian)多(duo)孔晶(jing)格點(dian)陣(zhen)結構如(ru)體(ti)心立方點陣(zhen)結構（BCC）、面心(xin)立方點陣(zhen)結構（FCC）、八度(du)桁(heng)架(jia)點(dian)陣(zhen)結構（OCT）等均(jun)是受(shou)晶(jing)體(ti)學(xue)中原子(zi)/離子(zi)排(pai)列(lie)的(de)啟(qi)發而(er)形成的超材(cai)料(liao)設(she)計。

近(jin)日，香(xiang)港城市大學(xue)機械系(xi)及納米(mi)制(zhi)造(zao)實驗室（NML）陸(lu)洋、生(sheng)物醫學(xue)工(gong)程(cheng)系Pakpong Chirarattananon和(he)西(xi)安電(dian)子(zi)科(ke)技大(da)學(xue)高(gao)立波(bo)等報(bao)道(dao)了(le)壹種(zhong)受金(jin)屬硬(ying)化(hua)機制(zhi)中的第(di)二(er)相粒(li)子(zi)強化(hua)機制(zhi)啟(qi)發的(de)多(duo)級微(wei)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料設計新策略(lve)。該(gai)策(ce)略(lve)思路(lu)如(ru)下：通(tong)過(guo)將(jiang)OCT單元作為(wei)第(di)二(er)相粒(li)子(zi)引(yin)入BCC點陣(zhen)結構的45°對(dui)角平(ping)面，從(cong)而(er)得到壹(yi)種(zhong)*的OCT-BCC雙相微(wei)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料。與(yu)原始BCC點陣(zhen)超(chao)材(cai)料相(xiang)比(bi)，該(gai)OCT-BCC雙相微(wei)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料的壓(ya)縮(suo)比(bi)強度(du)沿(yan)水平(ping)方向(xiang)和(he)縱(zong)向(xiang)顯(xian)著增(zeng)加(jia)了(le)〜300％和〜600％，同(tong)時也(ye)伴(ban)隨(sui)著剛度(du)和(he)能(neng)量(liang)吸(xi)收能(neng)力(li)的(de)顯(xian)著提(ti)高(gao)。

圖(tu)1 基(ji)於雙相增(zeng)強概念設計，通(tong)過(guo)面投(tou)影(ying)微(wei)立體(ti)光刻(ke)（PμSL）3D打(da)印(yin)的OCT-BCC雙相微(wei)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料

圖2 OCT-BCC雙相微(wei)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料與(yu)原始BCC微(wei)點(dian)陣(zhen)材(cai)料的3D打(da)印(yin)和力(li)學(xue)測(ce)試

為(wei)了(le)證明(ming)這(zhe)種(zhong)*的OCT-BCC雙相微(wei)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料的制(zhi)造(zao)可(ke)擴展性和實際(ji)應(ying)用(yong)潛(qian)力(li)，該(gai)工(gong)作(zuo)還(hai)通過(guo)摩(mo)方精密(mi)開發的(de)基(ji)於面投(tou)影(ying)微(wei)立體(ti)光刻(ke)（PμSL）的3D打(da)印(yin)技術(shu)（nanoArch P130, S140, BMF Precision, Shenzhen, China）成型(xing)了(le)尺寸(cun)為(wei)5.0 cmx 2.0 cm x 1.0 cm的(de)大(da)尺(chi)寸(cun)OCT-BCC雙相微(wei)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料，並(bing)將(jiang)其(qi)成(cheng)功(gong)集成(cheng)到(dao)微(wei)型(xing)無(wu)人(ren)機（MAV）的(de)機身(shen)中。和原本的實心(xin)機身(shen)對比(bi)，集成了(le)OCT-BCC雙相微(wei)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料的輕(qing)量(liang)化機身(shen)重量(liang)減(jian)少了(le)~ 65％，從(cong)而(er)使(shi)得微(wei)型(xing)無(wu)人(ren)機的(de)飛(fei)行(xing)時間實現(xian)了(le)~ 40％的顯(xian)著提(ti)升。

圖3 OCT-BCC雙相微(wei)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料應(ying)用(yong)於微(wei)型(xing)無(wu)人(ren)機構件以實現(xian)減(jian)重及服役(yi)時間(jian)提(ti)升

采(cai)用(yong)OCT-BCC微(wei)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料的微(wei)型(xing)無(wu)人(ren)機相(xiang)較普(pu)通實心(xin)構件的(de)無(wu)人(ren)機飛(fei)行(xing)時間提(ti)升(sheng)達40%（視頻(pin)10倍提速）

該(gai)工(gong)作(zuo)不(bu)僅(jin)提(ti)出了(le)壹種(zhong)有效(xiao)的超(chao)材料(liao)增(zeng)強設(she)計方法(fa)，而(er)且(qie)還(hai)展示了(le)高(gao)精(jing)度PμSL （nanoArch P130, S140, BMF Precision, Shenzhen, China）3D打(da)印(yin)超材(cai)料在(zai)微(wei)型(xing)無(wu)人(ren)機等(deng)領(ling)域(yu)的巨(ju)大應(ying)用(yong)潛(qian)力(li)。相(xiang)關成果(guo)以題為(wei)“3D printing of dual phase-strengthened microlattices for lightweight micro aerial vehicles”的(de)論(lun)文發表(biao)在(zai)國(guo)際知(zhi)名期(qi)刊(kan)Materials& Design上。