香港城市大學(xué)陸洋教授課題組: 基于3D打印的仿生高韌機(jī)械超材料

更新時(shí)間：2022-09-20

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機(jī)械超材料通常是由諸多具有相同微結(jié)構(gòu)的基本單元堆疊而成。當(dāng)受到較大外載荷作用時(shí)，其內(nèi)部具有均一結(jié)構(gòu)的單元會(huì)呈現(xiàn)出相同的變形失效形式，進(jìn)而形成貫穿結(jié)構(gòu)整體的剪切帶并導(dǎo)致應(yīng)力與能量吸收等多種性能指標(biāo)急劇下降，極大的限制其在實(shí)際工程領(lǐng)域的應(yīng)用。具有交錯(cuò)層狀微納結(jié)構(gòu)的海螺殼以良好的吸能特性而聞名。其內(nèi)部獨(dú).特的軟-硬界面可在保證有效能量吸收的同時(shí)合理調(diào)控生成裂紋的走向，提高了整體破壞的能量吸收閾值。受此啟發(fā)，香港城市大學(xué)機(jī)械工程系的陸洋教授提出了一種獨(dú).特的機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)長(zhǎng)程周期性概念：即在保留整體結(jié)構(gòu)周期性的基礎(chǔ)上引入了局域特殊性，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)械超材料在受力變形過(guò)程中剪切帶均勻分布與尺寸縮減的目的。此外，基本單元節(jié)點(diǎn)異質(zhì)性帶來(lái)的約束梯度能夠?qū)崿F(xiàn)超材料內(nèi)部破壞位置與順序的有效調(diào)控。通過(guò)利用摩方精密開發(fā)的基于面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（摩方精密nanoArch P130, S140超高精度3D打印系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)了仿生機(jī)械超材料單元在微米尺度的高分辨制備。

圖1. 仿生機(jī)械超材料設(shè)計(jì)、制備與分析

隨后，作者對(duì)機(jī)械超材料進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比研究。傳統(tǒng)的BCC結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了沿45度方向的整體破壞并伴隨應(yīng)力的斷崖式下降。相比于BCC結(jié)構(gòu)，單層仿生機(jī)械超材料則展現(xiàn)出了多條分布均勻的剪切帶。由于特殊交錯(cuò)層狀結(jié)構(gòu)的存在，其在壓縮過(guò)程中表現(xiàn)出了獨(dú).特的自增強(qiáng)響應(yīng)。通過(guò)擴(kuò)展機(jī)械超材料長(zhǎng)程周期性的維度，三層仿生機(jī)械超材料進(jìn)一步表現(xiàn)出了更為優(yōu)異的機(jī)械性能指標(biāo)以及跨層變形遲滯性。后續(xù)的有限元仿真分析進(jìn)一步驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)約束梯度對(duì)調(diào)控仿生機(jī)械超材料內(nèi)部破壞位置與順序的有效性。即使樹脂經(jīng)過(guò)高溫脆化處理，該結(jié)構(gòu)的比吸能指標(biāo)依然能達(dá)到4544 kJ/kg。這一結(jié)果為高性能的仿生機(jī)械超材料設(shè)計(jì)提供了參考。

圖2.機(jī)械超材料壓縮實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖3. 機(jī)械超材料有限元模擬分析

該項(xiàng)成果獲得了深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究項(xiàng)目及香港城市大學(xué)研究項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)支持，以“Three Dimensional Printing of Bioinspired Crossed-Lamellar Metamaterials with Superior Toughness for Syntactic Foam Substitution"為題發(fā)表于美國(guó)化學(xué)會(huì)期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。

作者團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介：陸洋，香港城市大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系正教授，香港城市大學(xué)深圳研究院納米制造實(shí)驗(yàn)室(NML)研究員、主任。主要從事微納米力學(xué)、原位電鏡及微納*制造技術(shù)研究，特別是對(duì)于低維材料的力學(xué)行為及其尺度效應(yīng)的探索，促進(jìn)其在微機(jī)械/機(jī)電系統(tǒng)及*制造等實(shí)際應(yīng)用。陸老師與合作者在早前的研究中發(fā)現(xiàn)了超細(xì)金屬納米線的“冷焊"現(xiàn)象以及納米尺度下硅和金剛石的“超大彈性"，有望應(yīng)用于創(chuàng)新微電子以及量子器件。近年來(lái)也重點(diǎn)關(guān)注新型高熵、中熵合金的鍍膜技術(shù)及其機(jī)械性能尺度效應(yīng)的探索，為高、中熵合金在機(jī)械超材料和輕質(zhì)構(gòu)件等制造領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支撐，并取得一系列原創(chuàng)科研成果。他以第一或通訊作者在Science、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Science Advances、Nature Communications等學(xué)術(shù)刊物發(fā)表文章100余篇，并擔(dān)任Materials Today、Acta Mechanica Sinica、中國(guó)科學(xué): 技術(shù)科學(xué)等學(xué)術(shù)期刊的編輯。