材料“尺寸效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)對(duì)微納3D打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能調(diào)控

以面投影微立體光刻(PμSL)為例，目前高精度光固化三維(3D)打印已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于快速制造具備微納特征尺寸的高分辨率聚合物模板結(jié)構(gòu)，用于規(guī)模化成形制造特征尺寸小至幾微米甚至百納米級(jí)別的定制化3D微晶格（microlattice）機(jī)械超材料(mechanical metamaterials)。然而，聚合物3D打印件單元的本征力學(xué)性能在相關(guān)對(duì)應(yīng)的尺度上尚沒(méi)有系統(tǒng)的力學(xué)特性研究。特別是當(dāng)超材料結(jié)構(gòu)件的特征尺寸進(jìn)入微米/亞微米級(jí)別時(shí)，缺乏對(duì)其彈塑性在對(duì)應(yīng)特征尺寸下的根本理解，將大大限制了其在微/納米晶格（microlattice/nanolattice）和其他多功能結(jié)構(gòu)超材料(structural metamaterials)應(yīng)用中的性能評(píng)估和可靠應(yīng)用。然而，受限于目前的微納尺度力學(xué)表征的技術(shù)困難，相關(guān)研究尚處于起步階段。

近期，香港城市大學(xué)機(jī)械工程系的陸洋教授及其合作團(tuán)隊(duì)在制造領(lǐng)域的頂尖期刊《極。端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發(fā)表《Tailoring Mechanical Properties of PμSL 3D-Printed Structures via Size Effect》的研究文章，基于實(shí)驗(yàn)室客制化的原位微納米力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在光鏡下和電鏡里，系統(tǒng)研究了PμSL 3D打印聚合物結(jié)構(gòu)單元的“尺寸效應(yīng)"。研究發(fā)現(xiàn)，在特征尺寸（單元桿直徑）從20 μm到60 μm范圍內(nèi)，PμSL打印的聚合物微纖維強(qiáng)度與韌性顯著提高，表現(xiàn)出明顯的尺寸相關(guān)的力學(xué)行為。而當(dāng)特征尺寸減小到20 μm，斷裂應(yīng)變高達(dá)~100%，斷裂強(qiáng)度高達(dá)~100 MPa。這種三維光固化打印聚合物的顯著“尺寸效應(yīng)"可以使得PμSL打印微晶格的材料強(qiáng)度和剛度可以在更大范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)控，從而使制備的微晶格機(jī)械超材料具有增強(qiáng)的/可調(diào)的力學(xué)性能，或作為模板按照特定用途優(yōu)化，并適用于各種結(jié)構(gòu)和多功能應(yīng)用。

圖 1 PμSL 打?。╪anoArch P130,摩方精密）的聚合物微纖維樣品的制備與原位力學(xué)表征

圖2 PμSL 打印聚合物微纖維的尺寸相關(guān)力學(xué)性能及其機(jī)制

結(jié)合PμSL 打印聚合物的尺寸效應(yīng)，作者設(shè)計(jì)并制備出具有相同幾何形狀、相對(duì)密度，不同桿尺寸的微晶格結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，桿尺寸為20 μm的微晶格模量為~87MPa，是桿尺寸為60μm的微晶格模量(~43 MPa)的兩倍；當(dāng)晶格屈服后，桿尺寸為20 μm的微晶格應(yīng)力隨應(yīng)變繼續(xù)增大，表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征，而桿尺寸為60 μm的微晶格表現(xiàn)出典型脆性材料應(yīng)力應(yīng)變曲線。這也提醒我們?cè)谠O(shè)計(jì)微晶格超材料時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮聚合物桿結(jié)構(gòu)尺寸。這一結(jié)果也為使微晶格單元的材料強(qiáng)度和剛度在很大范圍內(nèi)可以按需調(diào)控，為新型微/納米晶格力學(xué)超材料的合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

圖3 通過(guò)結(jié)構(gòu)單元“尺寸效應(yīng)"來(lái)調(diào)控微晶格力學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能

該項(xiàng)成果獲得了深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、長(zhǎng)沙科技局項(xiàng)目及香港城市大學(xué)研究項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)支持。