探索3D打印超材料：可控無序性如何增強結構韌性

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構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：內部幾何設計的關鍵作用
機械超材料是一種利用3D打印技術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，調整內部結構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�；�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：拓展應用領域
隨著這項研究的深入，科學家們希望能夠在更多領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域。此外，結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域的廣泛應用前景。

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