清華大學(xué)《Small》：混合多層級點陣材料的構(gòu)筑設(shè)計與力學(xué)性能

自然界中的許多輕質(zhì)生物材料同時具有多種優(yōu)異的力學(xué)性能，例如高模量、高強度、高斷裂韌性和損傷容限等。研究表明，這些生物材料優(yōu)異的力學(xué)性能與其多層級的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。近些年，多層級的設(shè)計策略被成功地應(yīng)用到三維力學(xué)超材料的構(gòu)筑設(shè)計和制備中，但是目前這些三維多層級力學(xué)超材料主要是采用桁架作為材料的基本單元。另一方面，在許多無法事先判斷載荷方向的應(yīng)用場景下，人們往往期望結(jié)構(gòu)材料具有各向同性，原因在于各向異性較強的結(jié)構(gòu)可能僅在某一方向或某些方向上承載能力較強，而在其他方向的載荷作用下則很容易失效。因此，對于多層級點陣材料而言，研究其各向異性的程度并設(shè)計出各向同性的多層級點陣材料具有十分重要的意義。

近期，清華大學(xué)李曉雁教授課題組采用桁架和平板單胞作為基本單元構(gòu)筑設(shè)計了多種新型的混合多層級點陣結(jié)構(gòu)（圖1），并采用面投影微立體光刻設(shè)備（microArch S240，摩方精密BMF）制備了相應(yīng)的多層級微米點陣材料。有限元模擬表明，通過在不同層級上選取合適的單胞結(jié)構(gòu)，混合多層級點陣可以達到期望的彈性各向同性，并且具有比已有的自相似octet桁架多層級點陣更高的模量（圖2）。對制備的不同取向的多層級微米點陣材料的原位力學(xué)測試表明，相比于各向異性的自相似octet桁架多層級微米點陣，混合多層級微米點陣在相同相對密度下具有更高的楊氏模量和壓縮強度，并且可以更接近彈性各向同性，與有限元預(yù)測的結(jié)果一致（圖3）。對于表現(xiàn)出彈性各向同性的ISO-COP混合多層級點陣材料，研究團隊通過理論分析建立了其楊氏模量及失效模式與各層級結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的依賴關(guān)系，并給出了其失效模式相圖（圖4），有助于進一步理解多層級結(jié)構(gòu)各層級之間力學(xué)性能的傳遞關(guān)系并據(jù)此進行結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。相比于單一層級的平板點陣，桁架-平板混合多層級點陣具有密度更低、易于制備的優(yōu)點；并且這種混合多層級的設(shè)計策略可以擴展至不同尺度和不同組分材料，在構(gòu)筑輕質(zhì)且具有優(yōu)異力學(xué)性能的新型結(jié)構(gòu)材料方面具有重要的應(yīng)用前景。

圖2. 多層級點陣結(jié)構(gòu)的有限元模擬結(jié)果。(a-b)單軸壓縮和剪切變形下的應(yīng)力分布；(c-d)不同結(jié)構(gòu)楊氏模量及各向異性度隨相對密度的變化；(e-f)不同方向的楊氏模量

圖3. 不同取向的多層級微米點陣材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4. ISO-COP混合多層級微米點陣材料楊氏模量及失效模式的理論預(yù)測