基于雙光子聚合增材制造的張力超材料結(jié)構(gòu)

供稿人:張道康、田小永
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

材料與結(jié)構(gòu)的破壞往往與局部機制有著密不可分的關(guān)系，例如金屬的剪切變形、陶瓷中的裂紋擴展和桁架結(jié)構(gòu)中的支柱的彎曲。在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中，局部的變形往往會導致整體結(jié)構(gòu)的變形失效，從而導致結(jié)構(gòu)往往具有一個較小的有效應變范圍。來自美國加州大學爾灣分校和佐治亞理工學院的研究人員開發(fā)了使變形非局部化的3D打印張力超材料，保證材料在受力變形時能夠均勻變形，與同等強度的最新晶格架構(gòu)相比，可變形性提高了25倍，吸收能量得到了數(shù)量級的提升。這項研究為高級工程系統(tǒng)的設(shè)計提供了重要的基礎(chǔ)，從可重復使用的沖擊防護系統(tǒng)到自適應的承重結(jié)構(gòu)。

圖1 利用相鄰元胞的重復反射構(gòu)造截斷的八面體超級單元

科研人員通過張拉整體性（Tensegrity）設(shè)計原則，設(shè)計出一種重復反射構(gòu)造截斷的八面體超材料單元，并且利用雙光子聚合技術(shù)直寫3D打印制造而成。截斷的八面體單元由沿多面體邊緣的拉伸構(gòu)件（紅色）和單元內(nèi)部的壓縮構(gòu)件（藍色）組成。該單元結(jié)構(gòu)無法在空間內(nèi)實現(xiàn)陣列密鋪，可以通過遞歸反射形成一個由八個單元構(gòu)成超級單元，如圖1所示。所有桁架構(gòu)件均設(shè)計為方形條形，平均邊緣長度約為950 nm。基本單元尺寸為10–20 μm，并且可以控制其結(jié)構(gòu)的相對密度。為了進行對比，在與張力超材料相同的條件下制作了八角形桁架結(jié)構(gòu)和開爾文泡沫結(jié)構(gòu)。并對三種結(jié)構(gòu)進行壓縮測試，張力超材料保持著高度均勻的變形，并且與其應力應變曲線相應一致，而后兩種結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)了局部破壞和失效的情況。

圖2 三種不同結(jié)構(gòu)壓縮測試結(jié)果（從左到右依次為張力超材料結(jié)構(gòu)、八面體桁架結(jié)構(gòu)、開爾文泡沫結(jié)構(gòu)）

這種基于微米級桁架和格柵的極輕便但具有很好強度和剛度的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以通過增材制造技術(shù)來制造，具有替代飛機、風力渦輪機葉片和許多其他應用中較重結(jié)構(gòu)的潛力。張力超材料表現(xiàn)出前所未有的抗破壞性，極高的能量吸收，可變形性，通過對比桁架、殼類輕質(zhì)結(jié)構(gòu)有著明顯的提升。張力超材料具有廣闊的應用前景，包括可重復使用的沖擊防護系統(tǒng)，大振幅隔振裝置和自適應承重結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可有效承受非線性載荷并通過無故障和可逆的大應變變形承受極限力。

參考文獻：
J Bauer, Kraus J A , Crook C , et al. Tensegrity Metamaterials: Toward Failure‐Resistant Engineering Systems through Delocalized Deformation[J]. Advanced Materials, 2021. https://doi.org/10.1002/adma.202005647