清華大(da)學(xue)《Small》：混(hun)合多層(ceng)級點陣材(cai)料的(de)構(gou)築(zhu)設(she)計(ji)與(yu)力(li)學(xue)性(xing)能

自然(ran)界(jie)中(zhong)的(de)許(xu)多(duo)輕質生物材(cai)料同(tong)時具(ju)有(you)多(duo)種(zhong)優(you)異(yi)的(de)力(li)學(xue)性(xing)能，例(li)如高(gao)模量、高(gao)強度、高(gao)斷裂(lie)韌(ren)性(xing)和(he)損(sun)傷容限(xian)等。研究(jiu)表(biao)明(ming)，這(zhe)些(xie)生物材(cai)料優(you)異的(de)力(li)學(xue)性(xing)能與(yu)其(qi)多層(ceng)級(ji)的(de)結(jie)構密(mi)切(qie)相關。近(jin)些(xie)年(nian)，多(duo)層級(ji)的(de)設(she)計(ji)策略被(bei)成功地應用到(dao)三(san)維(wei)力學(xue)超材(cai)料的(de)構(gou)築(zhu)設(she)計(ji)和(he)制(zhi)備(bei)中，但是(shi)目前這(zhe)些(xie)三(san)維(wei)多層級力(li)學(xue)超材(cai)料主(zhu)要(yao)是(shi)采用(yong)桁架作(zuo)為材(cai)料的(de)基(ji)本(ben)單(dan)元。另(ling)壹(yi)方(fang)面，在許(xu)多(duo)無(wu)法事先判斷載荷(he)方(fang)向的(de)應(ying)用(yong)場(chang)景下，人們往(wang)往(wang)期(qi)望(wang)結(jie)構材(cai)料具(ju)有(you)各向(xiang)同(tong)性(xing)，原因(yin)在於各向(xiang)異性(xing)較(jiao)強的(de)結(jie)構可(ke)能(neng)僅在某壹(yi)方(fang)向或某些(xie)方(fang)向上承(cheng)載能(neng)力(li)較(jiao)強，而(er)在其他(ta)方(fang)向的(de)載荷(he)作(zuo)用(yong)下則(ze)很(hen)容易失(shi)效(xiao)。因(yin)此(ci)，對(dui)於(yu)多(duo)層(ceng)級(ji)點陣材(cai)料而(er)言(yan)，研究(jiu)其(qi)各向(xiang)異性(xing)的(de)程度並設(she)計(ji)出各向(xiang)同(tong)性(xing)的(de)多(duo)層(ceng)級(ji)點陣材(cai)料具(ju)有(you)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)的(de)意(yi)義(yi)。

近(jin)期(qi)，清華大(da)學(xue)李(li)曉(xiao)雁教授課題組采用(yong)桁架和(he)平板單胞作(zuo)為基本單(dan)元(yuan)構築設(she)計(ji)了多(duo)種(zhong)新型的(de)混(hun)合多層(ceng)級點陣結(jie)構（圖(tu)1），並采用(yong)面(mian)投影(ying)微(wei)立體(ti)光(guang)刻(ke)設(she)備(bei)（microArch S240，摩(mo)方(fang)精(jing)密(mi)BMF）制備(bei)了相(xiang)應(ying)的(de)多(duo)層(ceng)級(ji)微(wei)米點陣材(cai)料。有(you)限(xian)元(yuan)模擬表(biao)明(ming)，通(tong)過(guo)在不同(tong)層級(ji)上選取合適(shi)的(de)單(dan)胞結(jie)構，混(hun)合多層(ceng)級點陣可(ke)以(yi)達(da)到(dao)期(qi)望(wang)的(de)彈(dan)性(xing)各向(xiang)同(tong)性(xing)，並且具(ju)有(you)比(bi)已有的(de)自(zi)相(xiang)似octet桁架多(duo)層(ceng)級點陣更高(gao)的(de)模(mo)量（圖2）。對(dui)制(zhi)備(bei)的(de)不同(tong)取向(xiang)的(de)多(duo)層(ceng)級(ji)微(wei)米點陣材(cai)料的(de)原(yuan)位(wei)力(li)學(xue)測(ce)試表(biao)明(ming)，相(xiang)比(bi)於各向(xiang)異性(xing)的(de)自(zi)相(xiang)似octet桁架多(duo)層(ceng)級微(wei)米點陣，混合多層(ceng)級微(wei)米點陣在相同(tong)相對(dui)密(mi)度下(xia)具(ju)有(you)更(geng)高(gao)的(de)楊(yang)氏模量和(he)壓(ya)縮(suo)強度，並且可(ke)以(yi)更(geng)接(jie)近(jin)彈(dan)性(xing)各向(xiang)同(tong)性(xing)，與(yu)有(you)限(xian)元(yuan)預測的(de)結(jie)果壹致(zhi)（圖3）。對(dui)於(yu)表(biao)現出彈(dan)性(xing)各向(xiang)同(tong)性(xing)的(de)ISO-COP混(hun)合多層(ceng)級點陣材(cai)料，研究(jiu)團隊通(tong)過(guo)理論分(fen)析建立了(le)其楊(yang)氏模量及失(shi)效(xiao)模式(shi)與(yu)各層(ceng)級結(jie)構幾(ji)何(he)參(can)數(shu)的(de)依(yi)賴(lai)關系(xi)，並給出(chu)了(le)其失效(xiao)模式(shi)相圖(tu)（圖4），有(you)助(zhu)於(yu)進壹(yi)步理(li)解(jie)多層(ceng)級結(jie)構各層(ceng)級之間(jian)力學(xue)性(xing)能的(de)傳(chuan)遞關系(xi)並據(ju)此(ci)進行(xing)結(jie)構幾(ji)何(he)參(can)數(shu)的(de)優(you)化(hua)設(she)計(ji)。相比(bi)於單(dan)壹層級的(de)平板點陣，桁架-平板混合多層(ceng)級點陣具(ju)有(you)密(mi)度更(geng)低、易於(yu)制備(bei)的(de)優(you)點；並且這種(zhong)混(hun)合多層(ceng)級的(de)設(she)計(ji)策略可(ke)以(yi)擴(kuo)展至不同(tong)尺度和(he)不同(tong)組分(fen)材(cai)料，在構築輕質且具(ju)有(you)優(you)異力(li)學(xue)性(xing)能的(de)新型結(jie)構材(cai)料方(fang)面具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)的(de)應(ying)用(yong)前(qian)景。

圖2. 多(duo)層(ceng)級點陣結(jie)構的(de)有(you)限(xian)元(yuan)模擬結(jie)果。(a-b)單軸(zhou)壓(ya)縮(suo)和(he)剪(jian)切(qie)變形(xing)下(xia)的(de)應(ying)力(li)分(fen)布；(c-d)不同(tong)結(jie)構楊(yang)氏模量及各向(xiang)異性(xing)度隨(sui)相(xiang)對(dui)密(mi)度的(de)變化(hua)；(e-f)不同(tong)方(fang)向的(de)楊(yang)氏模量

圖3. 不同(tong)取向(xiang)的(de)多(duo)層(ceng)級(ji)微(wei)米點陣材(cai)料的(de)應(ying)力(li)-應(ying)變曲線(xian)

圖4. ISO-COP混(hun)合多層(ceng)級微(wei)米點陣材(cai)料楊(yang)氏模量及失(shi)效(xiao)模式(shi)的(de)理(li)論預測(ce)