南洋理工大学: 3D打印板晶格机械超材料的压缩性能

超材料是经过精心构造的材料；它们通常由周期性排列放置的单元块组成。这些材料所表现出的特性和功能与其组成材料有所不同，它们不仅仅是结合了其组成材料的特性和功能，还能形成一些由结构影响的独.特性能。其中，机械超材料是一类人为设计的微观物理结构组成的、具有特殊机械性能的超材料。由于其在结构设计、尺寸和材料组件方面的可调整性，机械超材料为改善材料的机械行为和特性提供了新的机会，并为各种领域提供了多功能应用的潜质。过去的几十年中，人们不断地在追求材料的轻质化和高性能。一些报道指出简单立方（SC）板晶格在纳米尺度上可以达到力学性能的理论极限，这种板晶格机械超材料由于其理论上优异的机械特性和可人工调节设计的低密度而逐渐受到人们的关注。但是此类复杂结构的研究在过去一直受到制造技术的限制，因此新型3D打印技术的出现使得对这种晶格结构的深度研究成为可能。

近期，新加坡南洋理工大学Prof. Hu Xiao团队提出了利用微立体光刻技术（PμSL），采用新型面投影微立体光刻设备（nanoArch S140, 摩方精密BMF）来打印高精度的立方板晶格结构，并成功制备出微米级到厘米级的简单立方晶格结构。该团队研究了打印模型的单元数量、开孔直径等对压缩性能的影响，并且将打印出来的结构与其他目前报道的机械超材料等进行了压缩性能的比较。结果表明，增加单元数量可显著提高抗压强度和能量吸收能力，打印的立体板晶格结构的比能量吸收能力甚至可以超过不锈钢晶格结构和目前文献报道过的其他聚合物晶格材料。

图 1.（a）以往文献中使用的理想单元板晶格模型。（b） 本工作中使用的理想板晶格单元。（c） 修改后带孔的可打印立方板晶格单元。（d） 实验样品Cubic444-0.5mm。（e）有限元模拟von Mises带孔板晶格的压缩-Cubic444-0.5mm。（f） PμSL打印技术示意图。

该研究中，简单立方晶格模型的理想化单元设计以及修饰后带孔单元的设计如图1 (a)-(c)所示。打印后的一组4*4*4的模型如图1 (d)所示，是一边长为1厘米的立方块，里面整齐堆垛了64个立方晶格单元，除此之外，还打印了另外两组：8*8*8，12*12*12的立方晶格结构。打印出来的所有样品都与设计的模型高度相似，具有非常高的打印精度，其中最薄的壁厚甚至能达到80微米。为了评估打印好的晶格模型的压缩性能，对所有晶格结构做了压缩测试。图2展示了压缩后立方晶格的刚度、强度、能量吸收能力与晶格结构的立方单元边长孔径比之间的关系。

图 2.（a） d/l = 0.4时的立方板晶格的实验压缩应力-应变曲线。（b） 立方板晶格的压缩刚度与 d/l的关系拟合曲线。（c）立方板晶格的压缩强度吸收与 d/l的关系。（d） 立方板晶格的压缩能量与 d/l的关系。

结果表明，在d/l = 0.4时观察到的强度变化是由于样品从正常结构到超材料结构的力学行为的巨大差异。当 d/l 很小 （d/l < 0.3） 时，晶格更接近纯板晶格拓扑。众.所.周.知，对于板晶格拓扑，板的三维相交阻碍了板在受压时的运动，因此板晶格总是以拉伸为主。然而，随着d/l的增加，晶格开始类似于梁拓扑结构，运动学机制可能发生了变化。虽然在图2 (a)中，Cubic 444样品组表现出典型的拉伸主导行为的脆性应力 - 应变曲线，但对于Cubic 888-0.5mm和Cubic 121212-0.32mm来说，它们都存在着较长且稳定的屈服平台且压应力有一定的增加。这些现象表明弯曲样运动学机制在结构的压缩时被激活。这些晶格中的确切运动机理可能很复杂，因为纯柱状弯曲行为可能并不严格适用于这些具有大相对密度（>30%）的样品。偏离拉伸主导行为的结果可以在图2d的能量吸收结果中看到。Cubic 444样本组具有低能量吸收值，对应于拉伸主导晶格的典型脆应力 - 应变行为。然而，Cubic 888和Cubic 121212具有更高的能量吸收，这对应于增加的弯曲特性即允许在失效前发生更大程度的变形。因此随着一个立方厘米内单元晶格数量的增加，晶格结构的能量吸收效率产生超乎寻常的增长。

随后，将立方板晶格与具有相同相对密度相似单元大小的立方桁架结构和蜂窝结构进行了比较，如图 3(a)所示。在失效前，立方板晶格具有比桁架结构更大的应变和更高的刚度。与蜂窝相比，虽然蜂窝的垂直面表现出出色的机械性能，但其侧面压缩吸收的能量、压缩强度以及刚度都极低，几乎不具有支撑性，所以蜂窝从不同方向进行压缩的性能差异极其明显。而立方板晶格的三向力学性能相对来讲更均匀，它在三向上具有相同的结构特性，足够承受来自三维方向上的压力。同时，该团队将打印的所有晶格结构与最近报道的许多其他不锈钢或者聚合物基晶格材料的相对压缩能量吸收能力都进行了对比，如图 3(b)所示，其大范围可调节的能量吸收值最高约15 J/g，能力远高于文献报道的其他晶格材料，具有极.高的应用潜能。

图3. (a)不同结构类型样品的刚度、压缩强度和能量吸收比较柱状图。(b) 比能量吸收（SEA）比较图。