3D打印超高強(qiáng)納米點(diǎn)陣材料，達(dá)到理論強(qiáng)度極限

來源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

據(jù)悉，具有高強(qiáng)度甚至達(dá)到多孔材料強(qiáng)度的理論極限是固體力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重要挑戰(zhàn)之一。清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁教授課題組首先采用力材料學(xué)（Mechanomaterials）的理念設(shè)計(jì)了曲面單胞，然后通過面投影微立體光刻技術(shù)和雙光子光刻技術(shù)制備了基于極小曲面的聚合物微米點(diǎn)陣材料。

具有多孔、輕質(zhì)優(yōu)點(diǎn)的點(diǎn)陣材料在航天航空、交通運(yùn)輸、能源環(huán)保和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。然而，隨著密度的降低，其模量、強(qiáng)度等力學(xué)性能也會(huì)很快衰減。如何使點(diǎn)陣材料在低密度的同時(shí)，具有高強(qiáng)度甚至達(dá)到多孔材料強(qiáng)度的理論極限是固體力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重要挑戰(zhàn)之一。

針對(duì)上述問題和挑戰(zhàn)，清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁教授課題組首先采用力材料學(xué)（Mechanomaterials）的理念設(shè)計(jì)了曲面單胞，然后通過面投影微立體光刻技術(shù)和雙光子光刻技術(shù)制備了基于極小曲面的聚合物微米點(diǎn)陣材料，并進(jìn)一步采用高溫?zé)峤猥@得了基于極小曲面的熱解碳納米點(diǎn)陣材料（圖1）。所制備的曲面微納米點(diǎn)陣材料的特征尺寸在幾百微米至幾百納米范圍內(nèi)變化。原位壓縮實(shí)驗(yàn)表明，基于I-WP極小曲面的微納米點(diǎn)陣材料表現(xiàn)出比早先的桁架點(diǎn)陣和平板點(diǎn)陣更高的模量和強(qiáng)度。有限元模擬進(jìn)一步揭示了極小曲面點(diǎn)陣在壓縮變形過程中具有比桁架點(diǎn)陣和平板點(diǎn)陣更均勻的應(yīng)變能分布，使其能夠達(dá)到更優(yōu)的力學(xué)性能。

圖1.多種桁架、平板和曲面單胞結(jié)構(gòu)以及制備得到的不同特征尺寸的微納米點(diǎn)陣材料

更為重要的是，基于I-WP極小曲面的熱解碳納米點(diǎn)陣材料展示了超高的模量、強(qiáng)度和比強(qiáng)度。當(dāng)密度為0.53-0.80g/cm3時(shí)，其強(qiáng)度達(dá)到了多孔材料強(qiáng)度的理論極限。最高強(qiáng)度可達(dá)3.52GPa，導(dǎo)致其比強(qiáng)度高達(dá)4.42GPa g-1cm3，同時(shí)能夠承受20%壓縮應(yīng)變而不發(fā)生破壞。

這些性能均優(yōu)于目前已有的所有三維微納米點(diǎn)陣材料（圖2）。這些曲面熱解碳納米點(diǎn)陣材料前所未有的力學(xué)性能不僅得益于其優(yōu)異的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)與其納米尺度的特征尺寸密切相關(guān)。研究表明，在許多材料體系中都存在著“越小越強(qiáng)”的尺寸效應(yīng)。當(dāng)材料的特征尺寸小于特定的臨界尺寸時(shí)，其強(qiáng)度將接近理論強(qiáng)度，且表現(xiàn)出缺陷不敏感的特性。本研究工作分析了特征尺寸跨越了三個(gè)量級(jí)的曲面微納米點(diǎn)陣材料的力學(xué)性能，結(jié)果表明，其歸一化的屈服強(qiáng)度隨特征尺寸的減小而增強(qiáng)（圖3），這進(jìn)一步表明了微納米力學(xué)超材料中的尺寸效應(yīng)。這些研究成果表明：基于力材料學(xué)理念，通過功能基元序構(gòu)設(shè)計(jì)，并結(jié)合先進(jìn)制備方法，可以獲得綜合力學(xué)性能優(yōu)異的納米結(jié)構(gòu)材料。這對(duì)于進(jìn)一步理解微納米構(gòu)筑材料的力學(xué)性能與其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、特征尺寸以及本體材料性能之間的關(guān)系具有重要意義。

圖2.極小曲面熱解碳納米點(diǎn)陣材料與其他材料的力學(xué)性能對(duì)比

圖3.極小曲面熱解碳微納米點(diǎn)陣材料模量、強(qiáng)度與特征尺寸之間的依賴

基于上述成果，李曉雁課題組近日在《美國(guó)科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciencesof the United States of America）上發(fā)表題為“實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度理論極限的曲面熱解碳納米點(diǎn)陣材料”（Achieving the theoretical limit of strength in shell-based carbon nanolattices）的研究論文。

清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁教授和新加坡南洋理工大學(xué)高華健教授為本文的共同通訊作者。清華大學(xué)航天航空學(xué)院2022屆博士畢業(yè)生王宇嘉為論文第一作者。航院2018屆博士畢業(yè)生張璇和航院博士后李子鶴也參與了該項(xiàng)研究工作。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目、創(chuàng)新群體項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2119536119