南洋理工大學: 3D打印板晶格機械超材料的壓縮性能

超材料是經過精心構造的材料；它們通常由周期性排列放置的單元塊組成。這些材料所表現出的特性和功能與其組成材料有所不同，它們不僅僅是結合了其組成材料的特性和功能，還能形成一些由結構影響的獨.特性能。其中，機械超材料是一類人為設計的微觀物理結構組成的、具有特殊機械性能的超材料。由于其在結構設計、尺寸和材料組件方面的可調整性，機械超材料為改善材料的機械行為和特性提供了新的機會，并為各種領域提供了多功能應用的潛質。過去的幾十年中，人們不斷地在追求材料的輕質化和高性能。一些報道指出簡單立方（SC）板晶格在納米尺度上可以達到力學性能的理論極限，這種板晶格機械超材料由于其理論上優異的機械特性和可人工調節設計的低密度而逐漸受到人們的關注。但是此類復雜結構的研究在過去一直受到制造技術的限制，因此新型3D打印技術的出現使得對這種晶格結構的深度研究成為可能。

近期，新加坡南洋理工大學Prof. Hu Xiao團隊提出了利用微立體光刻技術（PμSL），采用新型面投影微立體光刻設備（nanoArch S140, 摩方精密BMF）來打印高精度的立方板晶格結構，并成功制備出微米級到厘米級的簡單立方晶格結構。該團隊研究了打印模型的單元數量、開孔直徑等對壓縮性能的影響，并且將打印出來的結構與其他目前報道的機械超材料等進行了壓縮性能的比較。結果表明，增加單元數量可顯著提高抗壓強度和能量吸收能力，打印的立體板晶格結構的比能量吸收能力甚至可以超過不銹鋼晶格結構和目前文獻報道過的其他聚合物晶格材料。

圖 1.（a）以往文獻中使用的理想單元板晶格模型。（b） 本工作中使用的理想板晶格單元。（c） 修改后帶孔的可打印立方板晶格單元。（d） 實驗樣品Cubic444-0.5mm。（e）有限元模擬von Mises帶孔板晶格的壓縮-Cubic444-0.5mm。（f） PμSL打印技術示意圖。

該研究中，簡單立方晶格模型的理想化單元設計以及修飾后帶孔單元的設計如圖1 (a)-(c)所示。打印后的一組4*4*4的模型如圖1 (d)所示，是一邊長為1厘米的立方塊，里面整齊堆垛了64個立方晶格單元，除此之外，還打印了另外兩組：8*8*8，12*12*12的立方晶格結構。打印出來的所有樣品都與設計的模型高度相似，具有非常高的打印精度，其中最薄的壁厚甚至能達到80微米。為了評估打印好的晶格模型的壓縮性能，對所有晶格結構做了壓縮測試。圖2展示了壓縮后立方晶格的剛度、強度、能量吸收能力與晶格結構的立方單元邊長孔徑比之間的關系。

圖 2.（a） d/l = 0.4時的立方板晶格的實驗壓縮應力-應變曲線。（b） 立方板晶格的壓縮剛度與 d/l的關系擬合曲線。（c）立方板晶格的壓縮強度吸收與 d/l的關系。（d） 立方板晶格的壓縮能量與 d/l的關系。

結果表明，在d/l = 0.4時觀察到的強度變化是由于樣品從正常結構到超材料結構的力學行為的巨大差異。當 d/l 很小 （d/l < 0.3） 時，晶格更接近純板晶格拓撲。眾.所.周.知，對于板晶格拓撲，板的三維相交阻礙了板在受壓時的運動，因此板晶格總是以拉伸為主。然而，隨著d/l的增加，晶格開始類似于梁拓撲結構，運動學機制可能發生了變化。雖然在圖2 (a)中，Cubic 444樣品組表現出典型的拉伸主導行為的脆性應力 - 應變曲線，但對于Cubic 888-0.5mm和Cubic 121212-0.32mm來說，它們都存在著較長且穩定的屈服平臺且壓應力有一定的增加。這些現象表明彎曲樣運動學機制在結構的壓縮時被激活。這些晶格中的確切運動機理可能很復雜，因為純柱狀彎曲行為可能并不嚴格適用于這些具有大相對密度（>30%）的樣品。偏離拉伸主導行為的結果可以在圖2d的能量吸收結果中看到。Cubic 444樣本組具有低能量吸收值，對應于拉伸主導晶格的典型脆應力 - 應變行為。然而，Cubic 888和Cubic 121212具有更高的能量吸收，這對應于增加的彎曲特性即允許在失效前發生更大程度的變形。因此隨著一個立方厘米內單元晶格數量的增加，晶格結構的能量吸收效率產生超乎尋常的增長。

隨后，將立方板晶格與具有相同相對密度相似單元大小的立方桁架結構和蜂窩結構進行了比較，如圖 3(a)所示。在失效前，立方板晶格具有比桁架結構更大的應變和更高的剛度。與蜂窩相比，雖然蜂窩的垂直面表現出出色的機械性能，但其側面壓縮吸收的能量、壓縮強度以及剛度都極低，幾乎不具有支撐性，所以蜂窩從不同方向進行壓縮的性能差異極其明顯。而立方板晶格的三向力學性能相對來講更均勻，它在三向上具有相同的結構特性，足夠承受來自三維方向上的壓力。同時，該團隊將打印的所有晶格結構與最近報道的許多其他不銹鋼或者聚合物基晶格材料的相對壓縮能量吸收能力都進行了對比，如圖 3(b)所示，其大范圍可調節的能量吸收值最高約15 J/g，能力遠高于文獻報道的其他晶格材料，具有極.高的應用潛能。

圖3. (a)不同結構類型樣品的剛度、壓縮強度和能量吸收比較柱狀圖。(b) 比能量吸收（SEA）比較圖。