香港城市大学陆洋教授课题组: 基于3D打印的仿生高韧机械超材料

机械超材料通常是由诸多具有相同微结构的基本单元堆叠而成。当受到较大外载荷作用时，其内部具有均一结构的单元会呈现出相同的变形失效形式，进而形成贯穿结构整体的剪切带并导致应力与能量吸收等多种性能指标急剧下降，极大的限制其在实际工程领域的应用。具有交错层状微纳结构的海螺壳以良好的吸能特性而闻名。其内部独特的软-硬界面可在保证有效能量吸收的同时合理调控生成裂纹的走向，提高了整体破坏的能量吸收阈值。受此启发，香港城市大学机械工程系的陆洋教授提出了一种独特的机械超材料结构设计长程周期性概念：即在保留整体结构周期性的基础上引入了局域特殊性，从而同时实现机械超材料在受力变形过程中剪切带均匀分布与尺寸缩减的目的。此外，基本单元节点异质性带来的约束梯度能够实现超材料内部破坏位置与顺序的有效调控。通过利用摩方精密开发的基于面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（摩方精密nanoArch P130, S140超高精度3D打印系统），实现了仿生机械超材料单元在微米尺度的高分辨制备。

图1. 仿生机械超材料设计、制备与分析

随后，作者对机械超材料进行了系统的实验与仿真对比研究。传统的BCC结构中出现了沿45度方向的整体破坏并伴随应力的断崖式下降。相比于BCC结构，单层仿生机械超材料则展现出了多条分布均匀的剪切带。由于特殊交错层状结构的存在，其在压缩过程中表现出了独特的自增强响应。通过扩展机械超材料长程周期性的维度，三层仿生机械超材料进一步表现出了更为优异的机械性能指标以及跨层变形迟滞性。后续的有限元仿真分析进一步验证了节点约束梯度对调控仿生机械超材料内部破坏位置与顺序的有效性。即使树脂经过高温脆化处理，该结构的比吸能指标依然能达到4544 kJ/kg。这一结果为高性能的仿生机械超材料设计提供了参考。

图2.机械超材料压缩实验验证

图3. 机械超材料有限元模拟分析

该项成果获得了深圳市科创委基础研究项目及香港城市大学研究项目经费支持，以“Three Dimensional Printing of Bioinspired Crossed-Lamellar Metamaterials with Superior Toughness for Syntactic Foam Substitution”为题发表于美国化学会期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。

作者团队简介：陆洋，香港城市大学机械工程学系正教授，香港城市大学深圳研究院纳米制造实验室(NML)研究员、主任。主要从事微纳米力学、原位电镜及微纳先进制造技术研究，特别是对于低维材料的力学行为及其尺度效应的探索，促进其在微机械/机电系统及先进制造等实际应用。陆老师与合作者在早前的研究中发现了超细金属纳米线的“冷焊”现象以及纳米尺度下硅和金刚石的“超大弹性”，有望应用于创新微电子以及量子器件。近年来也重点关注新型高熵、中熵合金的镀膜技术及其机械性能尺度效应的探索，为高、中熵合金在机械超材料和轻质构件等制造领域的应用提供技术支撑，并取得一系列原创科研成果。他以第一或通讯作者在Science、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Science Advances、Nature Communications等学术刊物发表文章100余篇，并担任Materials Today、Acta Mechanica Sinica、中国科学: 技术科学等学术期刊的编辑。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.2c12297