探索3D打印超材料：可控無序性如何增強結(jié)構(gòu)韌性

2025年2月，南極熊獲悉，來自賓夕法尼亞大學工程學院、賓夕法尼亞大學藝術(shù)與科學學院以及奧胡斯大學的研究團隊在 Proceedings of the National Academy of Sciences Nexus上發(fā)表了一項研究，揭示了通過引入可控的無序性到某些材料結(jié)構(gòu)中可以顯著提高其斷裂韌性，這項發(fā)現(xiàn)為機械超材料的發(fā)展提供了新的視角。


超材料的突破：內(nèi)部幾何設計的關(guān)鍵作用
機械超材料是一種利用3D打印技術(shù)制造出來的特殊材料，通過精確的幾何設計獲得了特有的物理和機械性能。然而，這類材料的一個主要挑戰(zhàn)是斷裂韌性較低。Kevin Turner教授指出：“我們發(fā)現(xiàn)，僅僅通過改變材料的內(nèi)部幾何形狀，無需修改材料本身，就能使其韌性提高2.6倍。” 這一發(fā)現(xiàn)表明，調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能是提升材料性能的有效途徑。


△a)有序晶格和b)無序晶格(̅δ = 0.27)的光彈性圖像

從自然中汲取靈感：無序模式的應用
研究人員從自然界中的材料如骨頭、珍珠層等獲得靈感，這些天然材料表現(xiàn)出微小但看似隨機的變化，從而增強了它們的性能。基于這一點，研究團隊進行了各種三角晶格圖案的計算模擬，比較了對稱設計與節(jié)點位置變化的設計。


△三種具有不同無序度的代表性設計

實驗結(jié)果表明，具有不同區(qū)域幾何形狀的樣品最能抵抗裂紋擴展。研究人員Sage Fulco解釋道：“最佳的無序程度對于實現(xiàn)最高的性能水平至關(guān)重要，這意味著，在材料的設計中找到合適的無序度量是至關(guān)重要的。”


△Sage Fulco，機械工程與應用力學研究員

展望未來：拓展應用領(lǐng)域
隨著這項研究的深入，科學家們希望能夠在更多領(lǐng)域探索無序模式的潛力，特別是在航空航天等需要高度抗裂性和損傷容限的領(lǐng)域。此外，結(jié)合不同的材料并整合多尺度的幾何設計也為未來的創(chuàng)新提供了無限可能。

3D打印技術(shù)的不斷進步正在開辟新材料的可能性。例如，南科大、伯明翰大學、香港科技大學等機構(gòu)的合作團隊開發(fā)出了更堅韌的3D打印陶瓷復合材料；香港城市大學的研究人員則提高了3D打印聚合物部件的強度，使其成為冠狀動脈支架和生物植入物的理想選擇。

總之，通過引入可控的無序性來增強材料的抗開裂能力，不僅為機械超材料的發(fā)展提供了新思路，也預示著未來在多個領(lǐng)域的廣泛應用前景。

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