港城大陆洋教授课题组《ACS AMI》: 高韧性、仿生3D打印聚合物超材料

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海螺壳以其优良的韧性而闻名，这一特点与其内部独特的交错层状结构及界面间的模量差异息息相关。将这两个特征引入机械超材料设计可有望获得具有良好吸能特性的仿生结构。借助基于面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术可轻松实现空间内交错层状结构的实时、可控制备。然而，海螺壳中通过多材料实现的界面模量差异对于单材料打印而言具有一定挑战性。

图1. 仿生机械超材料设计与分析

香港城市大学机械工程系陆洋教授课题组提出了一种独特的节点约束异质性设计概念。通过构建杆件的约束梯度来实现机械超材料内部破坏位置与破坏顺序的有效调控。进而，在机械超材料内部构建出独特的长程结构周期性，即在保留整体结构周期性的基础上引入了局域结构特殊性，从而避免了具有单一内部单元结构的机械超材料在受力变形过程中出现的大面积剪切带及机械性能指标衰减现象。

图2.仿生机械超材料压缩实验验证

图3. 仿生机械超材料有限元模拟分析

作者通过综合运用实验与仿真手段对仿生机械超材料进行了系统的分析与研究。具有一维结构长程周期性的单层仿生机械超材料在压缩过程中展现出了多条、分布均匀的剪切带及独特的自增强响应。通过进一步扩展机械超材料长程周期性的维度，三层仿生机械超材料表现出了更为优异的机械性能指标及跨层变形迟滞性。此外，有限元仿真分析结果也揭示了节点约束梯度对调控仿生机械超材料内部破坏位置与破坏顺序的有效性。即使聚合物打印基体材料经过高温脆化处理，该仿生结构在压缩实验中依然展现了4544 kJ/kg的比吸能指标。随着3D打印技术的愈发成熟，结构设计方案对材料性能的提升可作为一种具有通用性的技术解决方案。通过与不同的基体材料相结合，该机械仿生超材料有望取代目前在多领域中广泛应用的泡沫材料。

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的经费支持，以“Three Dimensional Printing of Bioinspired Crossed-Lamellar Metamaterials with Superior Toughness for Syntactic Foam Substitution”为题发表于国际期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c12297

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