南(nan)洋理(li)工(gong)大學(xue): 3D打(da)印(yin)板(ban)晶格(ge)機械(xie)超材(cai)料的壓縮性(xing)能

超(chao)材(cai)料是經(jing)過精(jing)心(xin)構(gou)造(zao)的材(cai)料；它們(men)通常由(you)周期性(xing)排(pai)列(lie)放(fang)置的單元塊組(zu)成(cheng)。這些(xie)材(cai)料所表(biao)現出的特性(xing)和(he)功(gong)能與其(qi)組成(cheng)材(cai)料有所不(bu)同，它(ta)們(men)不僅僅是結(jie)合(he)了(le)其(qi)組成(cheng)材(cai)料的特性(xing)和(he)功(gong)能，還能形成(cheng)壹些(xie)由結構(gou)影(ying)響的獨.特性(xing)能。其(qi)中(zhong)，機械(xie)超材(cai)料是壹類人(ren)為設計(ji)的微(wei)觀物理(li)結(jie)構(gou)組成(cheng)的、具(ju)有(you)特殊機械(xie)性(xing)能的超材(cai)料。由於(yu)其(qi)在結(jie)構(gou)設計(ji)、尺(chi)寸和(he)材(cai)料組件(jian)方面的可(ke)調整(zheng)性(xing)，機械(xie)超材(cai)料為改(gai)善材(cai)料的機械(xie)行為和特(te)性(xing)提(ti)供(gong)了(le)新的機會(hui)，並(bing)為各種(zhong)領(ling)域提供(gong)了(le)多(duo)功(gong)能應(ying)用(yong)的潛(qian)質(zhi)。過去的幾(ji)十(shi)年(nian)中(zhong)，人(ren)們(men)不(bu)斷地在追求(qiu)材(cai)料的輕質(zhi)化和高(gao)性(xing)能。壹些(xie)報(bao)道指(zhi)出簡(jian)單立方（SC）板晶格(ge)在(zai)納(na)米尺(chi)度(du)上(shang)可(ke)以(yi)達到(dao)力學(xue)性(xing)能的理(li)論極(ji)限(xian)，這種(zhong)板(ban)晶格(ge)機械(xie)超材(cai)料由於(yu)其(qi)理(li)論上(shang)優異(yi)的機械(xie)特性(xing)和(he)可(ke)人(ren)工(gong)調節設(she)計(ji)的低密度(du)而(er)逐漸(jian)受到(dao)人(ren)們(men)的關註。但(dan)是此(ci)類復(fu)雜(za)結構(gou)的研(yan)究在過去壹直受到(dao)制造(zao)技(ji)術(shu)的限(xian)制，因此(ci)新型(xing)3D打(da)印(yin)技(ji)術(shu)的出現使得對這種(zhong)晶格(ge)結(jie)構(gou)的深度(du)研(yan)究成(cheng)為可(ke)能。

近(jin)期，新加坡南(nan)洋理(li)工(gong)大學(xue)Prof. Hu Xiao團(tuan)隊提(ti)出了(le)利(li)用(yong)微(wei)立體(ti)光刻(ke)技(ji)術(shu)（PμSL），采用(yong)新型(xing)面投(tou)影(ying)微(wei)立體(ti)光刻(ke)設備(bei)（nanoArch S140, 摩方精(jing)密(mi)BMF）來打(da)印(yin)高(gao)精(jing)度(du)的立方板晶格(ge)結(jie)構(gou)，並(bing)成(cheng)功(gong)制備(bei)出(chu)微(wei)米級(ji)到(dao)厘米級(ji)的簡單立方晶格(ge)結(jie)構(gou)。該(gai)團(tuan)隊(dui)研(yan)究了(le)打(da)印(yin)模型(xing)的單元數(shu)量、開孔直徑(jing)等對壓縮性(xing)能的影(ying)響，並(bing)且(qie)將(jiang)打(da)印(yin)出(chu)來(lai)的結構(gou)與其(qi)他目(mu)前(qian)報(bao)道的機械(xie)超材(cai)料等進(jin)行了(le)壓縮性(xing)能的比較。結(jie)果表(biao)明(ming)，增加單(dan)元數量(liang)可(ke)顯(xian)著提(ti)高(gao)抗(kang)壓強(qiang)度(du)和能量吸(xi)收能力，打(da)印(yin)的立體(ti)板晶格(ge)結(jie)構(gou)的比能量吸(xi)收能力甚至(zhi)可(ke)以(yi)超(chao)過不銹鋼(gang)晶格(ge)結(jie)構(gou)和目(mu)前(qian)文(wen)獻報(bao)道過的其(qi)他聚合(he)物晶格(ge)材(cai)料。

圖 1.（a）以(yi)往(wang)文(wen)獻中(zhong)使用(yong)的理(li)想(xiang)單元(yuan)板(ban)晶格(ge)模型(xing)。（b） 本工作(zuo)中(zhong)使用(yong)的理(li)想(xiang)板晶格(ge)單(dan)元(yuan)。（c） 修(xiu)改(gai)後帶孔的可(ke)打(da)印(yin)立方板晶格(ge)單(dan)元(yuan)。（d） 實(shi)驗樣品Cubic444-0.5mm。（e）有限(xian)元(yuan)模擬von Mises帶孔板晶格(ge)的壓縮-Cubic444-0.5mm。（f） PμSL打(da)印(yin)技(ji)術(shu)示意(yi)圖。

該(gai)研(yan)究中(zhong)，簡(jian)單立方晶格(ge)模型(xing)的理(li)想(xiang)化單(dan)元(yuan)設(she)計(ji)以(yi)及(ji)修飾(shi)後(hou)帶孔單元(yuan)的設計(ji)如(ru)圖1 (a)-(c)所示(shi)。打(da)印(yin)後(hou)的壹組4*4*4的模型(xing)如(ru)圖1 (d)所示(shi)，是壹邊長為1厘米的立方塊，裏面(mian)整齊堆(dui)垛了(le)64個(ge)立方晶格(ge)單(dan)元(yuan)，除(chu)此之(zhi)外(wai)，還打(da)印(yin)了(le)另(ling)外(wai)兩組(zu)：8*8*8，12*12*12的立方晶格(ge)結(jie)構(gou)。打(da)印(yin)出(chu)來(lai)的所有(you)樣(yang)品都與設(she)計(ji)的模型(xing)高度(du)相似(si)，具(ju)有(you)非常高(gao)的打(da)印(yin)精(jing)度(du)，其(qi)中(zhong)最(zui)薄(bo)的壁厚(hou)甚至(zhi)能達到(dao)80微(wei)米。為了(le)評(ping)估(gu)打(da)印(yin)好(hao)的晶格(ge)模型(xing)的壓縮性(xing)能，對所有(you)晶格(ge)結(jie)構(gou)做了(le)壓縮測(ce)試(shi)。圖2展(zhan)示了(le)壓縮後立方晶格(ge)的剛度(du)、強(qiang)度(du)、能量吸(xi)收能力與晶格(ge)結(jie)構(gou)的立方單元邊長(chang)孔徑(jing)比之(zhi)間(jian)的關系。

圖 2.（a） d/l = 0.4時的立方板晶格(ge)的實驗壓縮應(ying)力-應(ying)變曲線(xian)。（b） 立方板晶格(ge)的壓縮剛度(du)與 d/l的關系擬合(he)曲線(xian)。（c）立方板晶格(ge)的壓縮強(qiang)度(du)吸(xi)收與(yu) d/l的關系。（d） 立方板晶格(ge)的壓縮能量與 d/l的關系。

結果表(biao)明，在d/l = 0.4時(shi)觀察到(dao)的強(qiang)度(du)變化是由(you)於樣(yang)品(pin)從正(zheng)常結構(gou)到(dao)超材(cai)料結構(gou)的力學行(xing)為的巨大差異(yi)。當 d/l 很(hen)小 （d/l < 0.3） 時(shi)，晶格(ge)更(geng)接(jie)近(jin)純(chun)板晶格(ge)拓(tuo)撲(pu)。眾(zhong).所.周(zhou).知(zhi)，對於板晶格(ge)拓(tuo)撲(pu)，板(ban)的三(san)維(wei)相交(jiao)阻礙了(le)板(ban)在(zai)受(shou)壓時的運動(dong)，因此(ci)板(ban)晶格(ge)總(zong)是以(yi)拉伸為主(zhu)。然而(er)，隨(sui)著d/l的增加，晶格(ge)開始類似於梁拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)，運動(dong)學機制可(ke)能發生了(le)變化。雖(sui)然在圖(tu)2 (a)中(zhong)，Cubic 444樣(yang)品組(zu)表現出典(dian)型(xing)的拉伸主(zhu)導(dao)行(xing)為的脆性(xing)應(ying)力 - 應(ying)變曲線(xian)，但(dan)對於(yu)Cubic 888-0.5mm和Cubic 121212-0.32mm來(lai)說(shuo)，它們都(dou)存(cun)在(zai)著較(jiao)長且(qie)穩(wen)定的屈服(fu)平臺且壓應(ying)力有(you)壹定的增加。這些(xie)現象表明(ming)彎(wan)曲(qu)樣運動(dong)學機制在結(jie)構(gou)的壓縮時被激(ji)活(huo)。這些(xie)晶格(ge)中(zhong)的確切(qie)運動(dong)機理(li)可(ke)能很復雜，因為純柱狀(zhuang)彎(wan)曲(qu)行為可(ke)能並(bing)不(bu)嚴(yan)格(ge)適用(yong)於這些(xie)具(ju)有(you)大相對(dui)密度(du)（>30%）的樣品。偏離(li)拉伸主(zhu)導(dao)行(xing)為的結果可(ke)以(yi)在(zai)圖(tu)2d的能量吸(xi)收結(jie)果中(zhong)看(kan)到(dao)。Cubic 444樣本組具(ju)有(you)低能量吸(xi)收值(zhi)，對應(ying)於拉(la)伸主(zhu)導(dao)晶格(ge)的典(dian)型(xing)脆應(ying)力 - 應(ying)變行為。然而(er)，Cubic 888和Cubic 121212具(ju)有(you)更高的能量吸(xi)收，這對(dui)應(ying)於增加的彎(wan)曲(qu)特性(xing)即(ji)允許(xu)在(zai)失(shi)效前(qian)發(fa)生更大程度(du)的變形。因此(ci)隨(sui)著壹個(ge)立方厘米內(nei)單元晶格(ge)數(shu)量(liang)的增加，晶格(ge)結(jie)構(gou)的能量吸(xi)收效率(lv)產生超乎(hu)尋常(chang)的增長(chang)。

隨(sui)後，將(jiang)立方板晶格(ge)與(yu)具(ju)有(you)相同相對(dui)密度(du)相似(si)單元大小的立方桁架結構(gou)和蜂(feng)窩(wo)結構(gou)進(jin)行了(le)比(bi)較(jiao)，如(ru)圖 3(a)所示(shi)。在(zai)失(shi)效前(qian)，立方板晶格(ge)具(ju)有(you)比桁架結構(gou)更大的應(ying)變和更(geng)高的剛度(du)。與蜂(feng)窩(wo)相比(bi)，雖然蜂(feng)窩(wo)的垂直面(mian)表現出出(chu)色(se)的機械(xie)性(xing)能，但(dan)其(qi)側面(mian)壓縮吸(xi)收的能量、壓縮強(qiang)度(du)以及(ji)剛度(du)都極(ji)低，幾(ji)乎不(bu)具(ju)有(you)支撐性(xing)，所以(yi)蜂(feng)窩(wo)從不同方向進(jin)行壓縮的性(xing)能差異(yi)極(ji)其(qi)明顯(xian)。而(er)立方板晶格(ge)的三(san)向力學(xue)性(xing)能相對(dui)來講更(geng)均(jun)勻，它在三(san)向上(shang)具(ju)有(you)相同的結構(gou)特性(xing)，足夠承(cheng)受來(lai)自(zi)三(san)維(wei)方向上(shang)的壓力。同時(shi)，該(gai)團(tuan)隊(dui)將(jiang)打(da)印(yin)的所有(you)晶格(ge)結(jie)構(gou)與最(zui)近(jin)報(bao)道的許(xu)多(duo)其(qi)他不(bu)銹(xiu)鋼或者(zhe)聚合(he)物基晶格(ge)材(cai)料的相對(dui)壓縮能量吸(xi)收能力都進(jin)行了(le)對(dui)比(bi)，如(ru)圖 3(b)所示(shi)，其(qi)大範(fan)圍可(ke)調節的能量吸(xi)收值(zhi)最(zui)高(gao)約(yue)15 J/g，能力遠(yuan)高於(yu)文(wen)獻報(bao)道的其(qi)他晶格(ge)材(cai)料，具(ju)有(you)極(ji).高(gao)的應(ying)用(yong)潛(qian)能。

圖3. (a)不同結(jie)構(gou)類型(xing)樣品(pin)的剛度(du)、壓縮強(qiang)度(du)和能量吸(xi)收比(bi)較柱狀(zhuang)圖(tu)。(b) 比能量吸(xi)收（SEA）比(bi)較圖(tu)。