美國路易斯維爾大學丨具有可定制力學性能的3D打印超材料

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

華南理工大學海外學者前沿講座第三十八期，邀請到來自美國路易斯維爾大學機械工程系陳彥玉助理教授,，他帶來“建構具有可定制力學性能的3D打印超材料”的演講，介紹了他自己的課題組在建構化材料的設計和建造中的最新進展,。

圖1  具有獨特力學性能的建構化材料

講座開始,，陳老師用一個實例解釋了建構化設計的意義�,？梢钥吹桨７茽栬F塔的建筑高度比吉薩金字塔高兩倍,，但是其重量卻比吉薩金字塔少了幾個數量級，這主要得益于埃菲爾鐵塔更為高效的層級化結構設計,。超材料之于傳統(tǒng)材料在性能方面的卓越表現(xiàn)和埃菲爾鐵塔之于吉薩金字塔的對比是非常相似的,。
建構化材料(Architected Material)是一種經過合理設計的多尺度材料結構,，具有獨特的力學性能和新穎功能，比如雙/多穩(wěn)態(tài),、幾何可重構和超輕的質量等,。本次講座中，陳老師介紹了他課題組近期三種有趣的建構化設計策略,，其中兩種是針對于增強材料機械性能,，而另一組是面向電池等新能源功能設計的。
在航空航天和軍事領域,，沖擊荷載引起的損傷通常是導致材料和結構失效的主要原因,。因此，對能夠吸收沖擊荷載能量的輕質材料和結構的需求日益增長,。蜂窩結構和泡沫通常被作為三明治結構的夾心來保護重要結構不受沖擊破壞,。但是，這類Architected Material通常由單一的均勻的材料和結構單元組成,，在大變形和動力荷載條件下保持結構的完整性成為一個較大的挑戰(zhàn),。為了解決這個問題，陳老師在講座中介紹了兩種增強建構化材料機械性能的設計策略,。
首先,，陳老師介紹了他們受海洋生物多層皮膚結構啟發(fā)，所開發(fā)的3D打印多層建構化蜂窩復合材料（MCC）,。這種建構化蜂窩復合材料的結構單元由多層硬材料的殼體和軟材料復合而成,，與單層的均一材料制作的蜂窩結構（VW）相比，MCC具有更低的剛度和強度,，但是卻具有更高的能量吸收能力,。

圖2  多層建構化蜂窩復合材料（MCC）的設計方法和力學性能評估

在進行了試驗和模擬后，他們發(fā)現(xiàn)這類材料可以有效的提高能量吸收率,，并且可以避免結構在受力中發(fā)生的應變集中問題,。所開發(fā)的3D打印多層建構化蜂窩復合材料吸收的能量可高于傳統(tǒng)蜂窩結構四倍。更有趣的是,，即使在開裂之后,，這種多層建構化蜂窩復合材料（MCC）也具有很強的變形可恢復能力。這種較強的變形可恢復能力使其在循環(huán)荷載條件下具有非常好的吸能表現(xiàn),。陳老師從材料角度和結構角度來解釋這一設計的優(yōu)越性：從材料角度來說,，其內部的超彈體能夠儲存能量，減少結構受到的損傷,。從結構角度來講,，內部的柔性層提供了約束，提供了側向的約束力，進而減少了結構的破壞,。

圖3  多層建構化蜂窩復合材料（MCC）在循環(huán)荷載下的力學性能

其次,，陳老師還詳細介紹了通過合理布置梁和殼單元創(chuàng)建的建構化聚合物泡沫。在這種建構化材料的設計中,，他們團隊采用了層級化雙材料的設計方法,，通過控制梁單元的殼單元的幾何參數，并進行層級化的設計,，調控建構化聚合物泡沫的力學性能,。陳老師對比了均勻布置梁和殼體（UF），均勻設計殼體梯度設計梁體（GBF）,，均勻設計梁體梯度設計殼體（GTF）,，梯度設計梁體和殼體（HGF）四種結構設計策略，發(fā)現(xiàn)改變梁體或者殼體的厚度便可以控制整體結構的破壞模式,。而且在一個較小的范圍內調整殼體的厚度時,，可以成倍的增加其強度。通過單軸壓縮試驗和有限元模擬發(fā)現(xiàn),，與漸變晶格結構相比,，這種泡沫的剛度和能量吸收能力分別增加了346%和141%。

圖4  基于梁和殼單元設計的建構化聚合物泡沫

圖5  三種晶格結構能量吸收能力的對比

在講座的第三部分,，陳老師介紹一組具有幾何分形設計的晶格超材料,，主要面向于諸如可穿戴設備、柔性顯示器等柔性的可拉伸材料,。陳老師團隊將Kerfing引入柔性表面的制造中,，通過kerfing可以將相對較硬的金屬和木材等材料設計為柔性結構。此外,，他們還引入了多階的結構設計,。在同樣的材料用量下，每升一階,，材料的柔性便上升一個數量級,。通過三階kerfing的復雜圖形減材制造，可以使材料獲得非凡的柔性和延展性,。這種柔性設計策略可以用來設計用于耗能和減振的超材料設計,，通過結構滑動摩擦和材料固有阻尼來耗散能量。該設計策略具有巨大的潛力,，可以創(chuàng)造出具有出色拉伸性,、可調振動聲學特性和形狀變形能力的軟結構材料。

圖6 具有幾何分形設計的晶格超材料及力學性能評估

本次講座中,，陳老師向我們展現(xiàn)了新材料結構在重量、多功能性和魯棒性等方面的卓越表現(xiàn)。傳統(tǒng)的材料結構在面臨極端力學的情況時表現(xiàn)很差,，而“他山之石可以攻玉”,，通過對材料引入結構化設計，巧妙利用雙/多材料的各自性能,，將能實現(xiàn)“以少勝多”和“1+1>2”的優(yōu)越性能,，滿足不同場景下對材料和結構的性能要求。陳老師的講座為我們提供了新的材料結構設計方法和思路,，這也將為土木工程材料結構的研究帶來新思路,，同時也展現(xiàn)了3D打印技術在新材料結構的設計制造中的優(yōu)異表現(xiàn)。