基(ji)於PμSL制造(zao)的雙相(xiang)微點(dian)陣(zhen)超材(cai)料及其(qi)無(wu)人(ren)機(ji)應用

近年來(lai)基(ji)於3D打印(yin)的微格(ge)點陣(zhen)超材(cai)料吸(xi)引了大(da)量的關註，點(dian)陣(zhen)超材(cai)料具(ju)有(you)優異的比強度(du)、比(bi)剛度(du)，良(liang)好(hao)的減震降(jiang)噪、吸(xi)能(neng)緩沖(chong)效(xiao)果(guo)、突出的吸(xi)聲和屏(ping)蔽(bi)等許(xu)多*的功能(neng)特性(xing)，被譽為結(jie)構-功能(neng)壹(yi)體(ti)化(hua)材(cai)料，在(zai)生物(wu)醫(yi)學、電池(chi)電極以(yi)及運動(dong)器(qi)材(cai)、無(wu)人(ren)機(ji)減重(zhong)等領(ling)域(yu)都(dou)有(you)*應用。其(qi)中(zhong)，在(zai)無(wu)人(ren)機(ji)上應用超材(cai)料可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)減(jian)輕其(qi)重(zhong)量，減(jian)少其(qi)飛行所需(xu)的推力(li)和功(gong)耗(hao)，從而提(ti)高電池(chi)續航(hang)時(shi)間與(yu)飛行持(chi)續(xu)時(shi)間，進(jin)而(er)更(geng)好(hao)地(di)拓展(zhan)無(wu)人(ren)機(ji)在(zai)民用、偵(zhen)察，救(jiu)援(yuan)和娛樂等領(ling)域(yu)的應用。此外(wai)，微(wei)格(ge)點陣(zhen)超材(cai)料出(chu)色(se)的能(neng)量(liang)吸(xi)收能(neng)力(li)可(ke)以(yi)幫(bang)助(zhu)無(wu)人(ren)機(ji)抵抗(kang)飛行過(guo)程(cheng)中(zhong)的撞擊(ji)和碰(peng)撞，點陣(zhen)鏤空(kong)結構還可(ke)以(yi)促進(jin)無(wu)人(ren)機(ji)的散熱。

為(wei)優(you)化(hua)點陣(zhen)超材(cai)料的機械(xie)性(xing)能(neng)，人(ren)們(men)提(ti)出(chu)了多(duo)種多樣(yang)的設計策(ce)略，其(qi)中(zhong)，受晶體(ti)學(xue)啟發的超材(cai)料設(she)計策(ce)略頗(po)具(ju)代(dai)表性(xing)。例如，已被廣泛采(cai)用的經典(dian)多孔晶格(ge)點陣(zhen)結構如體(ti)心(xin)立方點(dian)陣(zhen)結構（BCC）、面心(xin)立方點(dian)陣(zhen)結構（FCC）、八度(du)桁(heng)架(jia)點陣(zhen)結構（OCT）等均(jun)是(shi)受晶(jing)體(ti)學(xue)中(zhong)原子(zi)/離(li)子(zi)排列的啟發而(er)形成(cheng)的超材(cai)料設(she)計。

近日，香(xiang)港城市大學(xue)機(ji)械(xie)系及納(na)米(mi)制(zhi)造(zao)實驗室(shi)（NML）陸洋(yang)、生物(wu)醫(yi)學工(gong)程(cheng)系Pakpong Chirarattananon和西(xi)安(an)電子(zi)科技大(da)學高立波(bo)等報(bao)道(dao)了壹(yi)種受金(jin)屬硬化機制(zhi)中(zhong)的第二(er)相粒(li)子(zi)強化機制啟發的多級微點(dian)陣(zhen)超材(cai)料設(she)計新策(ce)略。該(gai)策(ce)略思路如下(xia)：通(tong)過(guo)將(jiang)OCT單元(yuan)作(zuo)為(wei)第(di)二相(xiang)粒(li)子引入BCC點(dian)陣(zhen)結構的45°對角(jiao)平(ping)面，從而得(de)到壹(yi)種*的OCT-BCC雙相(xiang)微點(dian)陣(zhen)超材(cai)料。與(yu)原始(shi)BCC點(dian)陣(zhen)超材(cai)料相(xiang)比，該(gai)OCT-BCC雙相微(wei)點(dian)陣(zhen)超材(cai)料的壓縮(suo)比(bi)強度(du)沿水(shui)平(ping)方向(xiang)和縱向顯著(zhu)增加(jia)了〜300％和〜600％，同(tong)時(shi)也(ye)伴隨(sui)著剛度(du)和能(neng)量(liang)吸(xi)收能(neng)力(li)的顯著(zhu)提(ti)高。

圖1 基(ji)於雙相(xiang)增(zeng)強概念設計，通(tong)過(guo)面投影微(wei)立體光(guang)刻（PμSL）3D打印(yin)的OCT-BCC雙相(xiang)微點(dian)陣(zhen)超材(cai)料

圖2 OCT-BCC雙(shuang)相(xiang)微點陣(zhen)超材(cai)料與(yu)原始(shi)BCC微(wei)點(dian)陣(zhen)材料的3D打印(yin)和力(li)學(xue)測試

為(wei)了證(zheng)明這(zhe)種*的OCT-BCC雙相(xiang)微點(dian)陣(zhen)超材(cai)料的制造(zao)可(ke)擴(kuo)展(zhan)性(xing)和實際應用潛力，該工作(zuo)還通(tong)過(guo)摩(mo)方精(jing)密開(kai)發(fa)的基(ji)於面投影微(wei)立體光(guang)刻（PμSL）的3D打印(yin)技術（nanoArch P130, S140, BMF Precision, Shenzhen, China）成(cheng)型(xing)了尺(chi)寸為5.0 cmx 2.0 cm x 1.0 cm的大尺(chi)寸OCT-BCC雙(shuang)相(xiang)微(wei)點(dian)陣(zhen)超材(cai)料，並(bing)將其(qi)成(cheng)功(gong)集成到(dao)微(wei)型(xing)無(wu)人(ren)機(ji)（MAV）的機身(shen)中(zhong)。和原本(ben)的實心(xin)機身(shen)對(dui)比，集成了OCT-BCC雙(shuang)相微點(dian)陣(zhen)超材(cai)料的輕量化(hua)機身(shen)重(zhong)量減(jian)少了~ 65％，從(cong)而使(shi)得(de)微型(xing)無(wu)人(ren)機(ji)的飛行時(shi)間實現(xian)了~ 40％的顯著(zhu)提(ti)升(sheng)。

圖3 OCT-BCC雙(shuang)相(xiang)微點陣(zhen)超材(cai)料應用於微型(xing)無(wu)人(ren)機(ji)構件以(yi)實現(xian)減重(zhong)及服役時間提(ti)升(sheng)

采用OCT-BCC微點(dian)陣(zhen)超材(cai)料的微型(xing)無(wu)人(ren)機(ji)相較普通(tong)實心(xin)構件的無(wu)人(ren)機(ji)飛行時(shi)間提(ti)升(sheng)達40%（視頻(pin)10倍(bei)提(ti)速(su)）

該(gai)工作不(bu)僅提(ti)出(chu)了壹(yi)種有(you)效(xiao)的超材(cai)料增(zeng)強設計方法(fa)，而且(qie)還展(zhan)示(shi)了高精度(du)PμSL （nanoArch P130, S140, BMF Precision, Shenzhen, China）3D打(da)印超材(cai)料在(zai)微型(xing)無(wu)人(ren)機(ji)等領(ling)域(yu)的巨大(da)應用潛力。相關成果(guo)以(yi)題(ti)為(wei)“3D printing of dual phase-strengthened microlattices for lightweight micro aerial vehicles”的論文(wen)發(fa)表在(zai)國際(ji)知.名期(qi)刊Materials& Design上(shang)。