香港大學/香港理工大學《CRPS》：基于玻璃3D打印的微點陣力學超材料

通過先進制造技術構建具有周期性規則特征的微點陣結構，可以與各類材料相結合形成力學超材料，從而實現傳統塊體材料難以達到的非凡性能。例如，在需要大變形和能量吸收的應用中，已廣泛采用由復合材料或金屬構成的點陣超材料；而由碳或陶瓷所構成的點陣超材料，則主要因其低密度和高比強度而受到關注。然而，當前已有的各類力學超材料無法同時滿足透明度及其他光學特性要求，這嚴重制約了其在非平面電子屏幕或異形結構玻璃等特定領域中的應用需求。

有鑒于此，香港大學機械工程系陸洋教授課題組在近期與香港理工大學溫燮文教授合作發展的高精度微納石英玻璃3D打印（Nat. Commun., 2024, 15(1), 2689）工作基礎上，更進一步通過結合拉伸主導型的高機械效率octet-truss拓撲構型，成功制備了具有可定制化機械性能的透明玻璃微點陣力學超材料（圖1）。該進展拓寬了力學超材料的種類范圍，為實現輕量化高強度透明超材料鋪平了道路，并為各類多功能應用提供了機會。

圖1：3D打印玻璃微點陣力學超材料的制備示意圖。（A）通過多步后處理過程，將打印所得的二氧化硅-聚合物納米復合前驅體逐步轉化為高質量、無缺陷的透明石英玻璃。（B）各階段下微點陣結構對應的光學和掃描電子顯微鏡圖像。

課題組通過采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術3D打印設備（nanoArch®P130 & nanoArch®S140），制備了一系列具有不同拓撲構型（相對密度、特征尺寸、單元數量）的玻璃微點陣超材料；利用原位微納米機械測試系統研究其力學行為，并結合有限元模擬分析、Bazant-斷裂理論、Weibull-最弱鏈理論和線彈性理論，揭示了玻璃微點陣的結構與性能之間的關系（圖2）。

圖2：不同拓撲構型下玻璃微點陣超材料的力學行為。（A）相對密度所主導的力學行為：隨著相對密度的增加，玻璃微點陣超材料破壞模式從逐層破壞轉變逐步演變為災難性的脆性斷裂模式；根據有限元模擬結果顯示，該轉變由裂紋在基體中沿不同方向擴展機制所決定。（B）特征尺寸所主導的力學行為：通過 均勻減小桿件特征尺寸，可以有效增強玻璃微點陣超材料的整體機械性能，包括結構標稱強度和歸一化材料強度，符合“越小越強"現象。（C）單元數量所主導的力學行為：通過增加單元數量，可以有效減輕邊緣效應，并提升特征變化的均質性和獨立性，從而顯著提高玻璃微點陣超材料的可靠性和一致性。

綜上所述，課題組采取了一種策略，即在降低相對密度的同時均勻減少特征尺寸并增加單元數目（圖3D），以有效提升玻璃微點陣力學超材料的整體機械性能，并且保持其輕質特性（圖3A）。拓撲構型的玻璃微點陣力學超材料能夠輕松承受其自身數千倍重量的載荷，且不會引發任何形式的失效（圖3B）；同時，由于玻璃微點陣本身具有較輕的質量，其密度僅為0.198 g/cm3，遠低于商業聚氨酯泡沫的密度（0.5 g/cm3），可以輕松地放置在商業泡沫上而不會引起任何形變（圖3C）。

圖3：通過在透明玻璃微點陣力學超材料中實現輕量化和高強度特性。

該成果以“3D-printed fused silica glass microlattice as mechanical metamaterial"為題發表于國際期刊《Cell Reports Physical Science》上，課題組2020級博士研究生黎子永為該論文第一作者。