材料“尺寸效應”實現對微納3D打印結構的力學性能調控

以面投影微立體光刻(PμSL)為例，目前高精度光固化三維(3D)打印已經被廣泛應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構，用于規模化成形制造特征尺寸小至幾微米甚至百納米級別的定制化3D微晶格（microlattice）機械超材料(mechanical metamaterials)。然而，聚合物3D打印件單元的本征力學性能在相關對應的尺度上尚沒有系統的力學特性研究。特別是當超材料結構件的特征尺寸進入微米/亞微米級別時，缺乏對其彈塑性在對應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）和其他多功能結構超材料(structural metamaterials)應用中的性能評估和可靠應用。然而，受限于目前的微納尺度力學表征的技術困難，相關研究尚處于起步階段。

近期，香港城市大學機械工程系的陸洋教授及其合作團隊在制造領域的頂尖期刊《極。端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發表《Tailoring Mechanical Properties of PμSL 3D-Printed Structures via Size Effect》的研究文章，基于實驗室客制化的原位微納米力學實驗平臺，在光鏡下和電鏡里，系統研究了PμSL 3D打印聚合物結構單元的“尺寸效應"。研究發現，在特征尺寸（單元桿直徑）從20 μm到60 μm范圍內，PμSL打印的聚合物微纖維強度與韌性顯著提高，表現出明顯的尺寸相關的力學行為。而當特征尺寸減小到20 μm，斷裂應變高達~100%，斷裂強度高達~100 MPa。這種三維光固化打印聚合物的顯著“尺寸效應"可以使得PμSL打印微晶格的材料強度和剛度可以在更大范圍內進行設計與調控，從而使制備的微晶格機械超材料具有增強的/可調的力學性能，或作為模板按照特定用途優化，并適用于各種結構和多功能應用。

圖 1 PμSL 打印（nanoArch P130,摩方精密）的聚合物微纖維樣品的制備與原位力學表征

圖2 PμSL 打印聚合物微纖維的尺寸相關力學性能及其機制

結合PμSL 打印聚合物的尺寸效應，作者設計并制備出具有相同幾何形狀、相對密度，不同桿尺寸的微晶格結構。結果表明，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；當晶格屈服后，桿尺寸為20 μm的微晶格應力隨應變繼續增大，表現出應變硬化特征，而桿尺寸為60 μm的微晶格表現出典型脆性材料應力應變曲線。這也提醒我們在設計微晶格超材料時應該重點考慮聚合物桿結構尺寸。這一結果也為使微晶格單元的材料強度和剛度在很大范圍內可以按需調控，為新型微/納米晶格力學超材料的合理設計和優化提供了基礎。

圖3 通過結構單元“尺寸效應"來調控微晶格力學超材料結構的整體力學性能

該項成果獲得了深圳市科創委基礎研究項目、長沙科技局項目及香港城市大學研究項目經費支持。