《PNAS》：基于極小曲面的微納米點(diǎn)陣材料的優(yōu)異力學(xué)性能

作為一種新興的力學(xué)超材料，三維微納米點(diǎn)陣材料具有低密度、高模量、高強(qiáng)度、高能量吸收率和良好的可恢復(fù)性等優(yōu)異的力學(xué)性能，極大地拓展了已有材料的性能空間。如何通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲得具有優(yōu)異力學(xué)性能的三維微納米點(diǎn)陣材料是固體力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。微納米點(diǎn)陣材料通常由具有特定結(jié)構(gòu)的單胞在三維空間中周期陣列形成。根據(jù)組成單胞的基本元素的種類(lèi)，可以將三維微納米點(diǎn)陣材料分為基于桁架（truss）、平板（plate）和曲殼（shell）三種類(lèi)型。目前，基于桁架的微納米點(diǎn)陣材料已經(jīng)表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能，但其節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中限制了其力學(xué)性能的進(jìn)一步提升。近年來(lái)的研究表明，基于平板的微納米點(diǎn)陣材料可以達(dá)到各向同性多孔材料楊氏模量的理論上限，然而其閉口的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為其通過(guò)增材制造的手段進(jìn)行制備帶來(lái)了挑戰(zhàn)。相比之下，具有光滑、連續(xù)、開(kāi)口特點(diǎn)的曲殼結(jié)構(gòu)則在構(gòu)筑具有優(yōu)異力學(xué)性能的微納米點(diǎn)陣材料方面具有天然的優(yōu)勢(shì)。

近期，清華大學(xué)李曉雁教授課題組采用面投影微立體光刻設(shè)備（microArch S240，摩方精密BMF）制備了特征尺寸在幾十至幾百微米量級(jí)的多種桁架、平板和曲殼微米點(diǎn)陣材料。所研究的結(jié)構(gòu)包括Octet型和Iso型兩種桁架結(jié)構(gòu)、cubic+octet平板結(jié)構(gòu)以及Schwarz P、I-WP和Neovius三種極小曲面結(jié)構(gòu)。其中，cubic+octet平板結(jié)構(gòu)是早先研究報(bào)道的能夠達(dá)到各向同性多孔材料楊氏模量理論上限的平板結(jié)構(gòu)。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)原位壓縮力學(xué)測(cè)試研究并對(duì)比了多種不同結(jié)構(gòu)的微米點(diǎn)陣材料的變形特點(diǎn)和力學(xué)性能。結(jié)果表明，相對(duì)密度較大時(shí)，I-WP和Neovius曲殼微米點(diǎn)陣材料與cubic+octet平板點(diǎn)陣材料類(lèi)似，在壓縮過(guò)程中呈現(xiàn)均勻的變形特點(diǎn)。而Octet型和Iso型兩種桁架點(diǎn)陣則在壓縮過(guò)程中形成明顯的剪切帶，發(fā)生變形局域化。相應(yīng)地，I-WP和Neovius兩種曲殼點(diǎn)陣和cubic+octet平板點(diǎn)陣具有比桁架點(diǎn)陣更高的楊氏模量和屈服強(qiáng)度，這與有限元模擬的結(jié)果一致。有限元模擬同時(shí)揭示了曲殼和平板單胞具有優(yōu)異力學(xué)性能的原因在于其在壓縮過(guò)程中具有更均勻的應(yīng)變能分布，而桁架單胞節(jié)點(diǎn)處存在明顯的應(yīng)力集中，其節(jié)點(diǎn)處及豎直承重桿件的局部應(yīng)變能甚至可以達(dá)到整體結(jié)構(gòu)平均應(yīng)變能的四倍以上。該研究表明，基于極小曲面的點(diǎn)陣材料能夠表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的桁架點(diǎn)陣材料更為優(yōu)異的力學(xué)性能，同時(shí)其光滑、連續(xù)、無(wú)自相交區(qū)域的特點(diǎn)使得其在構(gòu)筑結(jié)構(gòu)功能一體化的微納米材料方面具有重要的應(yīng)用前景。

圖1. (A-F) 多種桁架、平板及曲殼單胞結(jié)構(gòu)；(G-L)采用面投影微立體光刻技術(shù)制備的多種不同結(jié)構(gòu)的聚合物微米點(diǎn)陣材料

圖2. 利用面投影微立體光刻技術(shù)制備的聚合物微米點(diǎn)陣材料原位壓縮力學(xué)測(cè)試結(jié)果。(A-F)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(G-L)不同結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣材料在加載過(guò)程中的典型圖像（標(biāo)尺為2 mm）

圖3. 周期邊界條件下不同單胞結(jié)構(gòu)單軸壓縮的有限元模擬結(jié)果。（A-B）歸一化楊氏模量和屈服強(qiáng)度隨相對(duì)密度的變化；（C-H）不同單胞結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能分布