香港城市大學陸洋教授課題組: 基于3D打印的仿生高韌機械超材料

機械超材料通常是由諸多具有相同微結構的基本單元堆疊而成。當受到較大外載荷作用時，其內部具有均一結構的單元會呈現出相同的變形失效形式，進而形成貫穿結構整體的剪切帶并導致應力與能量吸收等多種性能指標急劇下降，極大的限制其在實際工程領域的應用。具有交錯層狀微納結構的海螺殼以良好的吸能特性而聞名。其內部獨.特的軟-硬界面可在保證有效能量吸收的同時合理調控生成裂紋的走向，提高了整體破壞的能量吸收閾值。受此啟發，香港城市大學機械工程系的陸洋教授提出了一種獨.特的機械超材料結構設計長程周期性概念：即在保留整體結構周期性的基礎上引入了局域特殊性，從而同時實現機械超材料在受力變形過程中剪切帶均勻分布與尺寸縮減的目的。此外，基本單元節點異質性帶來的約束梯度能夠實現超材料內部破壞位置與順序的有效調控。通過利用摩方精密開發的基于面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術（摩方精密nanoArch P130, S140超高精度3D打印系統），實現了仿生機械超材料單元在微米尺度的高分辨制備。

隨后，作者對機械超材料進行了系統的實驗與仿真對比研究。傳統的BCC結構中出現了沿45度方向的整體破壞并伴隨應力的斷崖式下降。相比于BCC結構，單層仿生機械超材料則展現出了多條分布均勻的剪切帶。由于特殊交錯層狀結構的存在，其在壓縮過程中表現出了獨.特的自增強響應。通過擴展機械超材料長程周期性的維度，三層仿生機械超材料進一步表現出了更為優異的機械性能指標以及跨層變形遲滯性。后續的有限元仿真分析進一步驗證了節點約束梯度對調控仿生機械超材料內部破壞位置與順序的有效性。即使樹脂經過高溫脆化處理，該結構的比吸能指標依然能達到4544 kJ/kg。這一結果為高性能的仿生機械超材料設計提供了參考。

圖2.機械超材料壓縮實驗驗證

該項成果獲得了深圳市科創委基礎研究項目及香港城市大學研究項目經費支持，以“Three Dimensional Printing of Bioinspired Crossed-Lamellar Metamaterials with Superior Toughness for Syntactic Foam Substitution"為題發表于美國化學會期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。