香港大学香港理工大学《CRPS》：基于玻璃3D打印的微点阵力学超材料

通过先进制造技术构建具有周期性规则特征的微点阵结构，可以与各类材料相结合形成力学超材料，从而实现传统块体材料难以达到的非凡性能。例如，在需要大变形和能量吸收的应用中，已广泛采用由复合材料或金属构成的点阵超材料；而由碳或陶瓷所构成的点阵超材料，则主要因其低密度和高比强度而受到关注。然而，当前已有的各类力学超材料无法同时满足透明度及其他光学特性要求，这严重制约了其在非平面电子屏幕或异形结构玻璃等特定领域中的应用需求。

有鉴于此，香港大学机械工程系陆洋教授课题组在近期与香港理工大学温燮文教授合作发展的高精度微纳石英玻璃3D打印（Nat. Commun., 2024, 15(1), 2689）工作基础上，更进一步通过结合拉伸主导型的高机械效率octet-truss拓扑构型，成功制备了具有可定制化机械性能的透明玻璃微点阵力学超材料（图1）。该进展拓宽了力学超材料的种类范围，为实现轻量化高强度透明超材料铺平了道路，并为各类多功能应用提供了机会。

图1：3D打印玻璃微点阵力学超材料的制备示意图。（A）通过多步后处理过程，将打印所得的二氧化硅-聚合物纳米复合前驱体逐步转化为高质量、无缺陷的透明石英玻璃。（B）各阶段下微点阵结构对应的光学和扫描电子显微镜图像。

课题组通过采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术3D打印设备（nanoArch® P130 & nanoArch® S140），制备了一系列具有不同拓扑构型（相对密度、特征尺寸、单元数量）的玻璃微点阵超材料；利用原位微纳米机械测试系统研究其力学行为，并结合有限元模拟分析、Bazant-断裂理论、Weibull-最弱链理论和线弹性理论，揭示了玻璃微点阵的结构与性能之间的关系（图2）。

图2：不同拓扑构型下玻璃微点阵超材料的力学行为。（A）相对密度所主导的力学行为：随着相对密度的增加，玻璃微点阵超材料破坏模式从逐层破坏转变逐步演变为灾难性的脆性断裂模式；根据有限元模拟结果显示，该转变由裂纹在基体中沿不同方向扩展机制所决定。（B）特征尺寸所主导的力学行为：通过 均匀减小杆件特征尺寸，可以有效增强玻璃微点阵超材料的整体机械性能，包括结构标称强度和归一化材料强度，符合“越小越强”现象。（C）单元数量所主导的力学行为：通过增加单元数量，可以有效减轻边缘效应，并提升特征变化的均质性和独立性，从而显著提高玻璃微点阵超材料的可靠性和一致性。

综上所述，课题组采取了一种策略，即在降低相对密度的同时均匀减少特征尺寸并增加单元数目（图3D），以有效提升玻璃微点阵力学超材料的整体机械性能，并且保持其轻质特性（图3A）。最优拓扑构型的玻璃微点阵力学超材料能够轻松承受其自身数千倍重量的载荷，且不会引发任何形式的失效（图3B）；同时，由于玻璃微点阵本身具有较轻的质量，其密度仅为0.198 g/cm3，远低于商业聚氨酯泡沫的密度（0.5 g/cm3），可以轻松地放置在商业泡沫上而不会引起任何形变（图3C）。

图3：通过在透明玻璃微点阵力学超材料中实现轻量化和高强度特性。

该成果以“3D-printed fused silica glass microlattice as mechanical metamaterial”为题发表于国际期刊《Cell Reports Physical Science》上，课题组2020级博士研究生黎子永为该论文第一作者。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102172