香(xiang)港城(cheng)市(shi)大(da)學(xue)陸洋教授課(ke)題組: 基於3D打(da)印(yin)的(de)仿(fang)生高(gao)韌機械(xie)超(chao)材(cai)料(liao)

機械(xie)超(chao)材(cai)料(liao)通(tong)常是(shi)由(you)諸多具有相同微(wei)結(jie)構的(de)基本(ben)單元(yuan)堆(dui)疊(die)而成。當受(shou)到(dao)較(jiao)大外載荷(he)作(zuo)用(yong)時，其(qi)內(nei)部(bu)具有均壹結(jie)構的(de)單元(yuan)會呈現(xian)出相同的(de)變(bian)形失(shi)效(xiao)形式(shi)，進(jin)而(er)形成貫穿結(jie)構整體的(de)剪(jian)切(qie)帶並(bing)導致應力(li)與能(neng)量吸收(shou)等多種性(xing)能(neng)指標急劇(ju)下(xia)降，極(ji)大(da)的(de)限制(zhi)其(qi)在(zai)實際(ji)工(gong)程(cheng)領域(yu)的(de)應用(yong)。具有交(jiao)錯層狀(zhuang)微(wei)納(na)結(jie)構的(de)海(hai)螺(luo)殼(ke)以(yi)良(liang)好(hao)的(de)吸能(neng)特(te)性而聞名(ming)。其(qi)內(nei)部(bu)獨.特(te)的(de)軟-硬(ying)界(jie)面可(ke)在(zai)保(bao)證(zheng)有效(xiao)能(neng)量吸收(shou)的(de)同時(shi)合(he)理(li)調控生(sheng)成裂紋(wen)的(de)走向，提高(gao)了(le)整體破壞(huai)的(de)能(neng)量吸收(shou)閾(yu)值。受(shou)此(ci)啟(qi)發，香港城(cheng)市(shi)大(da)學(xue)機械(xie)工(gong)程(cheng)系的(de)陸洋教授提(ti)出了(le)壹(yi)種獨(du).特(te)的(de)機械(xie)超(chao)材(cai)料(liao)結(jie)構設(she)計長(chang)程(cheng)周(zhou)期(qi)性(xing)概(gai)念(nian)：即(ji)在(zai)保(bao)留(liu)整體結(jie)構周期性的(de)基礎(chu)上引入(ru)了(le)局(ju)域(yu)特(te)殊性，從而(er)同時(shi)實現(xian)機械(xie)超(chao)材(cai)料(liao)在(zai)受(shou)力(li)變(bian)形過程中剪(jian)切(qie)帶均勻(yun)分(fen)布與尺(chi)寸(cun)縮減(jian)的(de)目的(de)。此外(wai)，基本(ben)單元(yuan)節(jie)點(dian)異質性帶來的(de)約束(shu)梯(ti)度能(neng)夠實現(xian)超(chao)材(cai)料(liao)內(nei)部(bu)破壞(huai)位(wei)置(zhi)與順(shun)序的(de)有效(xiao)調控。通(tong)過利用(yong)摩方(fang)精密開(kai)發的(de)基於面投影(ying)微立體(ti)光刻（PμSL）3D打(da)印(yin)技術（摩方精(jing)密nanoArch P130, S140超(chao)高(gao)精度3D打(da)印(yin)系統），實現(xian)了(le)仿(fang)生機械(xie)超(chao)材(cai)料(liao)單(dan)元(yuan)在(zai)微(wei)米尺(chi)度的(de)高(gao)分辨(bian)制(zhi)備(bei)。

隨(sui)後(hou)，作(zuo)者(zhe)對(dui)機械(xie)超(chao)材(cai)料(liao)進(jin)行(xing)了(le)系統的(de)實驗與仿(fang)真對(dui)比(bi)研究(jiu)。傳(chuan)統的(de)BCC結(jie)構中出現(xian)了(le)沿(yan)45度方向的(de)整體破壞(huai)並(bing)伴(ban)隨應力(li)的(de)斷崖(ya)式(shi)下(xia)降。相比於BCC結(jie)構，單層仿(fang)生機械(xie)超(chao)材(cai)料(liao)則(ze)展現(xian)出了(le)多(duo)條(tiao)分布均勻(yun)的(de)剪(jian)切(qie)帶。由(you)於特殊(shu)交(jiao)錯層狀(zhuang)結(jie)構的(de)存(cun)在(zai)，其(qi)在(zai)壓縮過程中表現(xian)出了(le)獨(du).特的(de)自增(zeng)強響(xiang)應。通(tong)過擴(kuo)展機械(xie)超(chao)材(cai)料(liao)長(chang)程(cheng)周(zhou)期(qi)性(xing)的(de)維度，三層(ceng)仿(fang)生機械(xie)超(chao)材(cai)料(liao)進(jin)壹(yi)步表現(xian)出了(le)更為優(you)異的(de)機械(xie)性(xing)能(neng)指標以(yi)及跨層變(bian)形遲滯(zhi)性(xing)。後(hou)續(xu)的(de)有限元(yuan)仿(fang)真分(fen)析(xi)進(jin)壹(yi)步驗證了(le)節(jie)點(dian)約束(shu)梯(ti)度對調控仿(fang)生機械(xie)超(chao)材(cai)料(liao)內(nei)部(bu)破壞(huai)位(wei)置(zhi)與順(shun)序的(de)有效(xiao)性(xing)。即(ji)使樹脂經(jing)過高(gao)溫脆化(hua)處(chu)理(li)，該(gai)結(jie)構的(de)比吸能(neng)指標依(yi)然能(neng)達(da)到(dao)4544 kJ/kg。這(zhe)壹(yi)結(jie)果為(wei)高(gao)性能(neng)的(de)仿(fang)生機械(xie)超(chao)材(cai)料(liao)設(she)計提供了(le)參考。

圖(tu)2.機械(xie)超(chao)材(cai)料(liao)壓縮實驗驗證

該(gai)項成(cheng)果獲(huo)得了(le)深(shen)圳市科創委(wei)基礎(chu)研究(jiu)項(xiang)目及(ji)香港城(cheng)市(shi)大(da)學(xue)研究(jiu)項(xiang)目經(jing)費(fei)支持(chi)，以(yi)“Three Dimensional Printing of Bioinspired Crossed-Lamellar Metamaterials with Superior Toughness for Syntactic Foam Substitution"為題(ti)發(fa)表於美國(guo)化(hua)學(xue)會期刊(kan)《ACS Applied Materials & Interfaces》。