武汉理工大学研究揭示力学超构材料的结构设计与增材制造的未来方向 | Engineering

力学超构材料可以被定义为一类结构材料，它前所未有的力学性能源自人工结构设计而非其组成材料。虽然宏观尺度和简单设计的结构可以通过传统的自上而下方式来制备，但许多不同尺度下的复杂设计仍然难以实现。增材制造（AM）的最新进展导致了许多新的超构材料理念的实现。AM方法能够制造具有高精度、极其复杂和高特征保真度的微尺度结构，使力学超构材料的快速发展成为可能，并大大降低了设计计算和实验验证周期。尽管已有一些关于力学超构材料的优秀综述文章；然而，这些综述文章仅侧重于轻质晶格点阵、拉胀结构、成型制造、结构设计和应用。

武汉理工大学陈斐研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年10月刊发表了题目为《力学超构材料的结构设计与增材制造的研究进展》的综述性文章，基于所需的力学性能详细地回顾了各种拓扑结构，包括刚度、强度和负泊松比超构材料。其次，文章讨论了能够制造这些超构材料的AM技术。最后，文章讨论了目前面临的挑战，并提出了AM和力学超构材料的未来发展方向。

与其他AM技术相比，激光直写（DLW）具有最高的可实现分辨率。特别是，DLW适用于各种领域的微米和纳米超构材料，如柔性微支架和纳米光子结构。DLW可以在不需要支撑材料或逐层工艺的情况下构建材料，因为它可以在厚膜光刻胶的任何空间位置内精确地引发聚合。尽管存在这些优势，DLW并未广泛用于产品大规模制造，因为它的可扩展性远低于其他技术。此外，DLW所需的设备，包括飞秒激光器、控制系统和光学器件，都非常昂贵。光刻胶材料的选择也因激光束的穿透要求而受到限制，含有陶瓷或金属颗粒的材料会阻碍激光穿透从而很难制备这些材料。

总之，从过去到现在，科学家们在各种力学超构材料，尤其是轻质和拉胀材料的拓扑设计方面取得了重大进展。但由于增材制造技术的快速发展，许多过去只能在理论上或数值上进行研究的拓扑结构现在可以以高效且低成本地成型制造，并且制造精度可以达到微米级或纳米级。此外，通过将最佳拓扑结构与纳米尺度效应（即纳米点阵）结合起来，可以实现前所未有的超高强度，同时优化所有与尺度无关的性质，如杨氏模量、比表面积、热膨胀系数和负泊松效应。纳米点阵中多参数设计（如尺寸效应和拓扑结构）的协同作用就是这类新型力学超构材料的一个例子，超越了单凭拓扑结构所能达到的性能。因此，文章在多层级设计、不稳定和非线性设计、动态响应、多材料四维（4D）打印四个方面对新兴力学超构材料的挑战和未来研究方向提出了建议。

以上内容来自：Chenxi Lu, Mengting Hsieh, Zhifeng Huang, Chi Zhang, Yaojun Lin, Qiang Shen, Fei Chen, Lianmeng Zhang. Architectural Design and Additive Manufacturing of Mechanical Metamaterials: A Review [J]. Engineering, 2022, 17(10): 44-63.

扫二维码 | 查看原文

原文链接：http://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2021.12.023

推荐阅读

欢迎关注我们

Engineering

ISSN 2095-8099

CN 10-1244/N

IF 12.8 Q1

点赞/在看/分享让更多小伙伴看到 ↓