美国路易斯维尔大学丨具有可定制力学性能的3D打印超材料

来源： 增材制造硕博联盟

华南理工大学海外学者前沿讲座第三十八期，邀请到来自美国路易斯维尔大学机械工程系陈彦玉助理教授，他带来“建构具有可定制力学性能的3D打印超材料”的演讲，介绍了他自己的课题组在建构化材料的设计和建造中的最新进展。

图1  具有独特力学性能的建构化材料

讲座开始，陈老师用一个实例解释了建构化设计的意义。可以看到埃菲尔铁塔的建筑高度比吉萨金字塔高两倍，但是其重量却比吉萨金字塔少了几个数量级，这主要得益于埃菲尔铁塔更为高效的层级化结构设计。超材料之于传统材料在性能方面的卓越表现和埃菲尔铁塔之于吉萨金字塔的对比是非常相似的。
建构化材料(Architected Material)是一种经过合理设计的多尺度材料结构，具有独特的力学性能和新颖功能，比如双/多稳态、几何可重构和超轻的质量等。本次讲座中，陈老师介绍了他课题组近期三种有趣的建构化设计策略，其中两种是针对于增强材料机械性能，而另一组是面向电池等新能源功能设计的。
在航空航天和军事领域，冲击荷载引起的损伤通常是导致材料和结构失效的主要原因。因此，对能够吸收冲击荷载能量的轻质材料和结构的需求日益增长。蜂窝结构和泡沫通常被作为三明治结构的夹心来保护重要结构不受冲击破坏。但是，这类Architected Material通常由单一的均匀的材料和结构单元组成，在大变形和动力荷载条件下保持结构的完整性成为一个较大的挑战。为了解决这个问题，陈老师在讲座中介绍了两种增强建构化材料机械性能的设计策略。
首先，陈老师介绍了他们受海洋生物多层皮肤结构启发，所开发的3D打印多层建构化蜂窝复合材料（MCC）。这种建构化蜂窝复合材料的结构单元由多层硬材料的壳体和软材料复合而成，与单层的均一材料制作的蜂窝结构（VW）相比，MCC具有更低的刚度和强度，但是却具有更高的能量吸收能力。

图2  多层建构化蜂窝复合材料（MCC）的设计方法和力学性能评估

在进行了试验和模拟后，他们发现这类材料可以有效的提高能量吸收率，并且可以避免结构在受力中发生的应变集中问题。所开发的3D打印多层建构化蜂窝复合材料吸收的能量可高于传统蜂窝结构四倍。更有趣的是，即使在开裂之后，这种多层建构化蜂窝复合材料（MCC）也具有很强的变形可恢复能力。这种较强的变形可恢复能力使其在循环荷载条件下具有非常好的吸能表现。陈老师从材料角度和结构角度来解释这一设计的优越性：从材料角度来说，其内部的超弹体能够储存能量，减少结构受到的损伤。从结构角度来讲，内部的柔性层提供了约束，提供了侧向的约束力，进而减少了结构的破坏。

图3  多层建构化蜂窝复合材料（MCC）在循环荷载下的力学性能

其次，陈老师还详细介绍了通过合理布置梁和壳单元创建的建构化聚合物泡沫。在这种建构化材料的设计中，他们团队采用了层级化双材料的设计方法，通过控制梁单元的壳单元的几何参数，并进行层级化的设计，调控建构化聚合物泡沫的力学性能。陈老师对比了均匀布置梁和壳体（UF），均匀设计壳体梯度设计梁体（GBF），均匀设计梁体梯度设计壳体（GTF），梯度设计梁体和壳体（HGF）四种结构设计策略，发现改变梁体或者壳体的厚度便可以控制整体结构的破坏模式。而且在一个较小的范围内调整壳体的厚度时，可以成倍的增加其强度。通过单轴压缩试验和有限元模拟发现，与渐变晶格结构相比，这种泡沫的刚度和能量吸收能力分别增加了346%和141%。

图4  基于梁和壳单元设计的建构化聚合物泡沫

图5  三种晶格结构能量吸收能力的对比

在讲座的第三部分，陈老师介绍一组具有几何分形设计的晶格超材料，主要面向于诸如可穿戴设备、柔性显示器等柔性的可拉伸材料。陈老师团队将Kerfing引入柔性表面的制造中，通过kerfing可以将相对较硬的金属和木材等材料设计为柔性结构。此外，他们还引入了多阶的结构设计。在同样的材料用量下，每升一阶，材料的柔性便上升一个数量级。通过三阶kerfing的复杂图形减材制造，可以使材料获得非凡的柔性和延展性。这种柔性设计策略可以用来设计用于耗能和减振的超材料设计，通过结构滑动摩擦和材料固有阻尼来耗散能量。该设计策略具有巨大的潜力，可以创造出具有出色拉伸性、可调振动声学特性和形状变形能力的软结构材料。

图6 具有几何分形设计的晶格超材料及力学性能评估

本次讲座中，陈老师向我们展现了新材料结构在重量、多功能性和鲁棒性等方面的卓越表现。传统的材料结构在面临极端力学的情况时表现很差，而“他山之石可以攻玉”，通过对材料引入结构化设计，巧妙利用双/多材料的各自性能，将能实现“以少胜多”和“1+1>2”的优越性能，满足不同场景下对材料和结构的性能要求。陈老师的讲座为我们提供了新的材料结构设计方法和思路，这也将为土木工程材料结构的研究带来新思路，同时也展现了3D打印技术在新材料结构的设计制造中的优异表现。