香港城大: 基于PμSL制造的雙相微點陣超材料及其無人機應用

近年來基于3D打印的微格點陣超材料吸引了大量的關注，點陣超材料具有優異的比強度、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*的功能特性，被譽為結構-功能一體化材料，在生物醫學、電池電極以及運動器材、無人機減重等領域都有*應用。其中，在無人機上應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，從而提高電池續航時間與飛行持續時間，進而更好地拓展無人機在民用、偵察，救援和娛樂等領域的應用。此外，微格點陣超材料出色的能量吸收能力可以幫助無人機抵抗飛行過程中的撞擊和碰撞，點陣鏤空結構還可以促進無人機的散熱。
為優化點陣超材料的機械性能，人們提出了多種多樣的設計策略，其中，受晶體學啟發的超材料設計策略頗具代表性。例如，已被廣泛采用的經典多孔晶格點陣結構如體心立方點陣結構（BCC）、面心立方點陣結構（FCC）、八度桁架點陣結構（OCT）等均是受晶體學中原子/離子排列的啟發而形成的超材料設計。

近日，香港城市大學機械系及納米制造實驗室（NML）陸洋、生物醫學工程系Pakpong Chirarattananon和西安電子科技大學高立波等報道了一種受金屬硬化機制中的第二相粒子強化機制啟發的多級微點陣超材料設計新策略。該策略思路如下：通過將OCT單元作為第二相粒子引入BCC點陣結構的45°對角平面，從而得到一種*的OCT-BCC雙相微點陣超材料。與原始BCC點陣超材料相比，該OCT-BCC雙相微點陣超材料的壓縮比強度沿水平方向和縱向顯著增加了?300％和?600％，同時也伴隨著剛度和能量吸收能力的顯著提高。

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

圖2 OCT-BCC雙相微點陣超材料與原始BCC微點陣材料的3D打印和力學測試

為了證明這種*的OCT-BCC雙相微點陣超材料的制造可擴展性和實際應用潛力，該工作還通過摩方精密開發的基于面投影微立體光刻（PμSL）的3D打印技術（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雙相微點陣超材料，并將其成功集成到微型無人機（MAV）的機身中。和原本的實心機身對比，集成了OCT-BCC雙相微點陣超材料的輕量化機身重量減少了~ 65％，從而使得微型無人機的飛行時間實現了~ 40％的顯著提升。

圖3 OCT-BCC雙相微點陣超材料應用于微型無人機構件以實現減重及服役時間提升

采用OCT-BCC微點陣超材料的微型無人機相較普通實心構件的無人機飛行時間提升達40%（視頻10倍提速）

該工作不僅提出了一種有效的超材料增強設計方法，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等領域的巨大應用潛力。相關成果以題為“3D printing of dual phase-strengthened microlattices for lightweight micro aerial vehicles”的論文發表在國際知名期刊Materials& Design上。