美國路易斯維爾大學(xué)丨具有可定制力學(xué)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(xué)海外學(xué)者前沿講座第三十八期，邀請到來自美國路易斯維爾大學(xué)機(jī)械工程系陳彥玉助理教授，他帶來“建構(gòu)具有可定制力學(xué)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(gòu)化材料的設(shè)計(jì)和建造中的最新進(jìn)展。

圖1  具有獨(dú)特力學(xué)性能的建構(gòu)化材料

講座開始，陳老師用一個實(shí)例解釋了建構(gòu)化設(shè)計(jì)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(shù)量級，這主要得益于埃菲爾鐵塔更為高效的層級化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(gòu)化材料(Architected Material)是一種經(jīng)過合理設(shè)計(jì)的多尺度材料結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)特的力學(xué)性能和新穎功能，比如雙/多穩(wěn)態(tài)、幾何可重構(gòu)和超輕的質(zhì)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(gòu)化設(shè)計(jì)策略，其中兩種是針對于增強(qiáng)材料機(jī)械性能，而另一組是面向電池等新能源功能設(shè)計(jì)的。
在航空航天和軍事領(lǐng)域，沖擊荷載引起的損傷通常是導(dǎo)致材料和結(jié)構(gòu)失效的主要原因。因此，對能夠吸收沖擊荷載能量的輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)的需求日益增長。蜂窩結(jié)構(gòu)和泡沫通常被作為三明治結(jié)構(gòu)的夾心來保護(hù)重要結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)單元組成，在大變形和動力荷載條件下保持結(jié)構(gòu)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(qiáng)建構(gòu)化材料機(jī)械性能的設(shè)計(jì)策略。
首先，陳老師介紹了他們受海洋生物多層皮膚結(jié)構(gòu)啟發(fā)，所開發(fā)的3D打印多層建構(gòu)化蜂窩復(fù)合材料（MCC）。這種建構(gòu)化蜂窩復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)單元由多層硬材料的殼體和軟材料復(fù)合而成，與單層的均一材料制作的蜂窩結(jié)構(gòu)（VW）相比，MCC具有更低的剛度和強(qiáng)度，但是卻具有更高的能量吸收能力。

圖2  多層建構(gòu)化蜂窩復(fù)合材料（MCC）的設(shè)計(jì)方法和力學(xué)性能評估

在進(jìn)行了試驗(yàn)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(jié)構(gòu)在受力中發(fā)生的應(yīng)變集中問題。所開發(fā)的3D打印多層建構(gòu)化蜂窩復(fù)合材料吸收的能量可高于傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)四倍。更有趣的是，即使在開裂之后，這種多層建構(gòu)化蜂窩復(fù)合材料（MCC）也具有很強(qiáng)的變形可恢復(fù)能力。這種較強(qiáng)的變形可恢復(fù)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(jié)構(gòu)角度來解釋這一設(shè)計(jì)的優(yōu)越性：從材料角度來說，其內(nèi)部的超彈體能夠儲存能量，減少結(jié)構(gòu)受到的損傷。從結(jié)構(gòu)角度來講，內(nèi)部的柔性層提供了約束，提供了側(cè)向的約束力，進(jìn)而減少了結(jié)構(gòu)的破壞。

圖3  多層建構(gòu)化蜂窩復(fù)合材料（MCC）在循環(huán)荷載下的力學(xué)性能

其次，陳老師還詳細(xì)介紹了通過合理布置梁和殼單元創(chuàng)建的建構(gòu)化聚合物泡沫。在這種建構(gòu)化材料的設(shè)計(jì)中，他們團(tuán)隊(duì)采用了層級化雙材料的設(shè)計(jì)方法，通過控制梁單元的殼單元的幾何參數(shù)，并進(jìn)行層級化的設(shè)計(jì)，調(diào)控建構(gòu)化聚合物泡沫的力學(xué)性能。陳老師對比了均勻布置梁和殼體（UF），均勻設(shè)計(jì)殼體梯度設(shè)計(jì)梁體（GBF），均勻設(shè)計(jì)梁體梯度設(shè)計(jì)殼體（GTF），梯度設(shè)計(jì)梁體和殼體（HGF）四種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的破壞模式。而且在一個較小的范圍內(nèi)調(diào)整殼體的厚度時，可以成倍的增加其強(qiáng)度。通過單軸壓縮試驗(yàn)和有限元模擬發(fā)現(xiàn)，與漸變晶格結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)的建構(gòu)化聚合物泡沫

圖5  三種晶格結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)的晶格超材料，主要面向于諸如可穿戴設(shè)備、柔性顯示器等柔性的可拉伸材料。陳老師團(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)為柔性結(jié)構(gòu)。此外，他們還引入了多階的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在同樣的材料用量下，每升一階，材料的柔性便上升一個數(shù)量級。通過三階kerfing的復(fù)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(shè)計(jì)策略可以用來設(shè)計(jì)用于耗能和減振的超材料設(shè)計(jì)，通過結(jié)構(gòu)滑動摩擦和材料固有阻尼來耗散能量。該設(shè)計(jì)策略具有巨大的潛力，可以創(chuàng)造出具有出色拉伸性、可調(diào)振動聲學(xué)特性和形狀變形能力的軟結(jié)構(gòu)材料。

圖6 具有幾何分形設(shè)計(jì)的晶格超材料及力學(xué)性能評估

本次講座中，陳老師向我們展現(xiàn)了新材料結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在面臨極端力學(xué)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(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，巧妙利用雙/多材料的各自性能，將能實(shí)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(jié)構(gòu)的性能要求。陳老師的講座為我們提供了新的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和思路，這也將為土木工程材料結(jié)構(gòu)的研究帶來新思路，同時也展現(xiàn)了3D打印技術(shù)在新材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造中的優(yōu)異表現(xiàn)。