香港城大《Materials & Design》: 基于PμSL制造的雙相微點(diǎn)陣超材料及其無人機(jī)應(yīng)用

來源： PuSL高精密3D打印

近年來基于3D打印的微格點(diǎn)陣超材料吸引了大量的關(guān)注，點(diǎn)陣超材料具有優(yōu)異的比強(qiáng)度、比剛度，良好的減震降噪、吸能緩沖效果、突出的吸聲和屏蔽等許多獨(dú)特的功能特性，被譽(yù)為結(jié)構(gòu)-功能一體化材料，在生物醫(yī)學(xué)、電池電極以及運(yùn)動(dòng)器材、無人機(jī)減重等領(lǐng)域都有獨(dú)特應(yīng)用。其中，在無人機(jī)上應(yīng)用超材料可以有效減輕其重量，減少其飛行所需的推力和功耗，從而提高電池續(xù)航時(shí)間與飛行持續(xù)時(shí)間，進(jìn)而更好地拓展無人機(jī)在民用、軍事、偵察，救援和娛樂等領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，微格點(diǎn)陣超材料出色的能量吸收能力可以幫助無人機(jī)抵抗飛行過程中的撞擊和碰撞，點(diǎn)陣鏤空結(jié)構(gòu)還可以促進(jìn)無人機(jī)的散熱。

為優(yōu)化點(diǎn)陣超材料的機(jī)械性能，人們提出了多種多樣的設(shè)計(jì)策略，其中，受晶體學(xué)啟發(fā)的超材料設(shè)計(jì)策略頗具代表性。例如，已被廣泛采用的經(jīng)典多孔晶格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)如體心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（BCC）、面心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（FCC）、八度桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（OCT）等均是受晶體學(xué)中原子/離子排列的啟發(fā)而形成的超材料設(shè)計(jì)。

近日，香港城市大學(xué)機(jī)械系及納米制造實(shí)驗(yàn)室（NML）陸洋、生物醫(yī)學(xué)工程系Pakpong Chirarattananon和西安電子科技大學(xué)高立波等報(bào)道了一種受金屬硬化機(jī)制中的第二相粒子強(qiáng)化機(jī)制啟發(fā)的多級微點(diǎn)陣超材料設(shè)計(jì)新策略。該策略思路如下：通過將OCT單元作為第二相粒子引入BCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的45°對角平面，從而得到一種先進(jìn)的OCT-BCC雙相微點(diǎn)陣超材料。與原始BCC點(diǎn)陣超材料相比，該OCT-BCC雙相微點(diǎn)陣超材料的壓縮比強(qiáng)度沿水平方向和縱向顯著增加了〜300％和〜600％，同時(shí)也伴隨著剛度和能量吸收能力的顯著提高。

圖1 基于雙相增強(qiáng)概念設(shè)計(jì)，通過面投影微立體光刻（PμSL）3D打印的OCT-BCC雙相微點(diǎn)陣超材料

圖2 OCT-BCC雙相微點(diǎn)陣超材料與原始BCC微點(diǎn)陣材料的3D打印和力學(xué)測試

為了證明這種先進(jìn)的OCT-BCC雙相微點(diǎn)陣超材料的制造可擴(kuò)展性和實(shí)際應(yīng)用潛力，該工作還通過摩方精密開發(fā)的基于面投影微立體光刻（PμSL）的3D打印技術(shù)（nanoArch P130, S140, BMF Precision, Shenzhen, China）成型了尺寸為5.0 cmx 2.0 cm x 1.0 cm的大尺寸OCT-BCC雙相微點(diǎn)陣超材料，并將其成功集成到微型無人機(jī)（MAV）的機(jī)身中。和原本的實(shí)心機(jī)身對比，集成了OCT-BCC雙相微點(diǎn)陣超材料的輕量化機(jī)身重量減少了~ 65％，從而使得微型無人機(jī)的飛行時(shí)間實(shí)現(xiàn)了~ 40％的顯著提升。

圖3 OCT-BCC雙相微點(diǎn)陣超材料應(yīng)用于微型無人機(jī)構(gòu)件以實(shí)現(xiàn)減重及服役時(shí)間提升

采用OCT-BCC微點(diǎn)陣超材料的微型無人機(jī)相較普通實(shí)心構(gòu)件的無人機(jī)飛行時(shí)間提升達(dá)40%

該工作不僅提出了一種有效的超材料增強(qiáng)設(shè)計(jì)方法，而且還展示了高精度PμSL （nanoArch P130, S140, BMF Precision, Shenzhen, China）3D打印超材料在微型無人機(jī)等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。相關(guān)成果以題為“3D printing of dual phase-strengthened microlattices for lightweight micro aerial vehicles”的論文發(fā)表在國際知名期刊Materials& Design上。