清華大學《Small》：混合多層級點陣材料的構筑設計與力學性能

自然界中的許多輕質生物材料同時具有多種優異的力學性能，例如高模量、高強度、高斷裂韌性和損傷容限等。研究表明，這些生物材料優異的力學性能與其多層級的結構密切相關。近些年，多層級的設計策略被成功地應用到三維力學超材料的構筑設計和制備中，但是目前這些三維多層級力學超材料主要是采用桁架作為材料的基本單元。另一方面，在許多無法事先判斷載荷方向的應用場景下，人們往往期望結構材料具有各向同性，原因在于各向異性較強的結構可能僅在某一方向或某些方向上承載能力較強，而在其他方向的載荷作用下則很容易失效。因此，對于多層級點陣材料而言，研究其各向異性的程度并設計出各向同性的多層級點陣材料具有十分重要的意義。

近期，清華大學李曉雁教授課題組采用桁架和平板單胞作為基本單元構筑設計了多種新型的混合多層級點陣結構（圖1），并采用面投影微立體光刻設備（microArch S240，摩方精密BMF）制備了相應的多層級微米點陣材料。有限元模擬表明，通過在不同層級上選取合適的單胞結構，混合多層級點陣可以達到期望的彈性各向同性，并且具有比已有的自相似octet桁架多層級點陣更高的模量（圖2）。對制備的不同取向的多層級微米點陣材料的原位力學測試表明，相比于各向異性的自相似octet桁架多層級微米點陣，混合多層級微米點陣在相同相對密度下具有更高的楊氏模量和壓縮強度，并且可以更接近彈性各向同性，與有限元預測的結果一致（圖3）。對于表現出彈性各向同性的ISO-COP混合多層級點陣材料，研究團隊通過理論分析建立了其楊氏模量及失效模式與各層級結構幾何參數的依賴關系，并給出了其失效模式相圖（圖4），有助于進一步理解多層級結構各層級之間力學性能的傳遞關系并據此進行結構幾何參數的優化設計。相比于單一層級的平板點陣，桁架-平板混合多層級點陣具有密度更低、易于制備的優點；并且這種混合多層級的設計策略可以擴展至不同尺度和不同組分材料，在構筑輕質且具有優異力學性能的新型結構材料方面具有重要的應用前景。

圖2. 多層級點陣結構的有限元模擬結果。(a-b)單軸壓縮和剪切變形下的應力分布；(c-d)不同結構楊氏模量及各向異性度隨相對密度的變化；(e-f)不同方向的楊氏模量

圖3. 不同取向的多層級微米點陣材料的應力-應變曲線

圖4. ISO-COP混合多層級微米點陣材料楊氏模量及失效模式的理論預測