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(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

材料與結(jié)構(gòu)的破壞往往與局部機(jī)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(kuò)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(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的變形失效，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)往往具有一個較小的有效應(yīng)變范圍。來自美國加州大學(xué)爾灣分校和佐治亞理工學(xué)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(qiáng)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(xiàng)研究為高級工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了重要的基礎(chǔ)，從可重復(fù)使用的沖擊防護(hù)系統(tǒng)到自適應(yīng)的承重結(jié)構(gòu)。

圖1 利用相鄰元胞的重復(fù)反射構(gòu)造截?cái)嗟陌嗣骟w超級單元

科研人員通過張拉整體性（Tensegrity）設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)出一種重復(fù)反射構(gòu)造截?cái)嗟陌嗣骟w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?cái)嗟陌嗣骟w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(lán)色）組成。該單元結(jié)構(gòu)無法在空間內(nèi)實(shí)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(yīng)力應(yīng)變曲線相應(yīng)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(qiáng)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(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片和許多其他應(yīng)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(yīng)用前景，包括可重復(fù)使用的沖擊防護(hù)系統(tǒng)，大振幅隔振裝置和自適應(yīng)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(yīng)變變形承受極限力。

參考文獻(xiàn)：
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