具有双相强化微晶格的微型飞行器3D打印

供稿人:张道康、田小永 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

机械超材料是一种具有广阔应用前景的先进材料，可以通过改变其微观结构来设计其独特的机械性能，对于微晶格结构来说，其具有轻质、高比强度和高能量吸收等众多理想的机械性能，在医疗植入体、航空航天、运动器材等领域有具有极高的应用价值。由于微晶格结构层次结构的复杂，对于传统制造具有很高的挑战性，近年来，高分辨率 3D 打印技术使制造具有高精度和复杂几何形状的大规模微晶格成为可能。然而，具有周期性晶胞的典型微晶格通常表现出不足的机械性能，阻碍了它们广泛的实际应用。 对于受晶体学启发的设计，已经有经典的晶格，例如体心立方 (BCC)、面心立方 (FCC)、八重桁架 (OCT)晶格材料等已被工程应用所采用。在合金设计中结合了组合冶金强化机制，包括晶粒尺寸效应、沉淀和多相硬化，以开发具有坚固和耐损伤特性的多相超材料。受到晶体学中双相强化机制的启发，该作者将OCT单元作为第二相加入到BCC晶格结构的45°对角线平面中，如图1所示，并将结构通过3D打印制造，运用于微型飞行器中。

图1 双相OCT-BCC微晶格超材料的设计、制造和应用

该文章对于双相OCT-BCC晶格进行了力学测试，如图2所示，其中双相OCT-BCC晶格沿方向1和方向2的压缩比强度为4 kPa·m 3·kg -1和6.8kPa·m 3·kg -1，与原始BCC晶格的压缩比强度相比分别提高了300%和600%，证明了双相微晶格结构对于单一晶格结构的提升。与原始BCC晶格相比，双相OCT-BCC晶格沿方向1和方向2的压缩刚度分别增加了约250%和300%。此外，基于特定应力-应变曲线下的面积，可以得到OCT-BCC晶格在两个压缩方向上的比能量吸收比原始BCC晶格高得多。双相微晶格结构具有更强的力学性能，一方面是因为OCT晶格比BCC晶格具有更强的能量吸收能力。另一方面，OCT晶格的引入限制了BBC晶格结构的变形，从而导致额外的能量吸收。

图2 3D打印的OCT-BCC微晶格和BCC微晶格样件及实验结果

总的来说，该文章展示了一种受晶体学启发的微晶格设计高性能机械超材料的有效策略，并成功制造出尺寸高达5.0 cm×2.0 cm×1.0 cm的OCT-BCC 微晶格超材料并应用于微型飞行器。采用双相OCT-BCC微晶格超材料的微型飞行器机身重量减少约65%，并且飞行持续时间增加约40%。尽管仍有进一步优化和改进的空间，该双相晶格强化的策略进一步推动了高分辨率3D打印微晶格超材料在微型飞行器和航空航天等其他领域的应用。

参考文献：
Xiao, R. et al. "3D printing of dual phase-strengthened microlattices for lightweight micro aerial vehicles." Materials & Design 206.3(2021):109767.