香港城市大學陸洋教授課題組: 基于3D打印的仿生高韌機械超材料

更新時間：2022-09-20

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機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。當受到較大外載荷作用時，其內(nèi)部具有均一結(jié)構(gòu)的單元會呈現(xiàn)出相同的變形失效形式，進而形成貫穿結(jié)構(gòu)整體的剪切帶并導致應(yīng)力與能量吸收等多種性能指標急劇下降，極大的限制其在實際工程領(lǐng)域的應(yīng)用。具有交錯層狀微納結(jié)構(gòu)的海螺殼以良好的吸能特性而聞名。其內(nèi)部獨.特的軟-硬界面可在保證有效能量吸收的同時合理調(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)，香港城市大學機械工程系的陸洋教授提出了一種獨.特的機械超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計長程周期性概念：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，從而同時實現(xiàn)機械超材料在受力變形過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)點異質(zhì)性帶來的約束梯度能夠?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)），實現(xiàn)了仿生機械超材料單元在微米尺度的高分辨制備。

圖1. 仿生機械超材料設(shè)計、制備與分析

隨后，作者對機械超材料進行了系統(tǒng)的實驗與仿真對比研究。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。由于特殊交錯層狀結(jié)構(gòu)的存在，其在壓縮過程中表現(xiàn)出了獨.特的自增強響應(yīng)。通過擴展機械超材料長程周期性的維度，三層仿生機械超材料進一步表現(xiàn)出了更為優(yōu)異的機械性能指標以及跨層變形遲滯性。后續(xù)的有限元仿真分析進一步驗證了節(jié)點約束梯度對調(diào)控仿生機械超材料內(nèi)部破壞位置與順序的有效性。即使樹脂經(jīng)過高溫脆化處理，該結(jié)構(gòu)的比吸能指標依然能達到4544 kJ/kg。這一結(jié)果為高性能的仿生機械超材料設(shè)計提供了參考。

圖2.機械超材料壓縮實驗驗證

圖3. 機械超材料有限元模擬分析

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

作者團隊簡介：陸洋，香港城市大學機械工程學系正教授，香港城市大學深圳研究院納米制造實驗室(NML)研究員、主任。主要從事微納米力學、原位電鏡及微納*制造技術(shù)研究，特別是對于低維材料的力學行為及其尺度效應(yīng)的探索，促進其在微機械/機電系統(tǒng)及*制造等實際應(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。近年來也重點關(guān)注新型高熵、中熵合金的鍍膜技術(shù)及其機械性能尺度效應(yīng)的探索，為高、中熵合金在機械超材料和輕質(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等學術(shù)刊物發(fā)表文章100余篇，并擔任Materials Today、Acta Mechanica Sinica、中國科學: 技術(shù)科學等學術(shù)期刊的編輯。