技術(shù)文章
Technical articles自然界中的許多輕質(zhì)生物材料同時(shí)具有多種優(yōu)異的力學(xué)性能,例如高模量、高強(qiáng)度、高斷裂韌性和損傷容限等。研究表明,這些生物材料優(yōu)異的力學(xué)性能與其多層級(jí)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。近些年,多層級(jí)的設(shè)計(jì)策略被成功地應(yīng)用到三維力學(xué)超材料的構(gòu)筑設(shè)計(jì)和制備中,但是目前這些三維多層級(jí)力學(xué)超材料主要是采用桁架作為材料的基本單元。另一方面,在許多無法事先判斷載荷方向的應(yīng)用場(chǎng)景下,人們往往期望結(jié)構(gòu)材料具有各向同性,原因在于各向異性較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)可能僅在某一方向或某些方向上承載能力較強(qiáng),而在其他方向的載荷作用下則很容易失效。因此,對(duì)于多層級(jí)點(diǎn)陣材料而言,研究其各向異性的程度并設(shè)計(jì)出各向同性的多層級(jí)點(diǎn)陣材料具有十分重要的意義。
近期,清華大學(xué)李曉雁教授課題組采用桁架和平板單胞作為基本單元構(gòu)筑設(shè)計(jì)了多種新型的混合多層級(jí)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)(圖1),并采用面投影微立體光刻設(shè)備(microArch S240,摩方精密BMF)制備了相應(yīng)的多層級(jí)微米點(diǎn)陣材料。有限元模擬表明,通過在不同層級(jí)上選取合適的單胞結(jié)構(gòu),混合多層級(jí)點(diǎn)陣可以達(dá)到期望的彈性各向同性,并且具有比已有的自相似octet桁架多層級(jí)點(diǎn)陣更高的模量(圖2)。對(duì)制備的不同取向的多層級(jí)微米點(diǎn)陣材料的原位力學(xué)測(cè)試表明,相比于各向異性的自相似octet桁架多層級(jí)微米點(diǎn)陣,混合多層級(jí)微米點(diǎn)陣在相同相對(duì)密度下具有更高的楊氏模量和壓縮強(qiáng)度,并且可以更接近彈性各向同性,與有限元預(yù)測(cè)的結(jié)果一致(圖3)。對(duì)于表現(xiàn)出彈性各向同性的ISO-COP混合多層級(jí)點(diǎn)陣材料,研究團(tuán)隊(duì)通過理論分析建立了其楊氏模量及失效模式與各層級(jí)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的依賴關(guān)系,并給出了其失效模式相圖(圖4),有助于進(jìn)一步理解多層級(jí)結(jié)構(gòu)各層級(jí)之間力學(xué)性能的傳遞關(guān)系并據(jù)此進(jìn)行結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。相比于單一層級(jí)的平板點(diǎn)陣,桁架-平板混合多層級(jí)點(diǎn)陣具有密度更低、易于制備的優(yōu)點(diǎn);并且這種混合多層級(jí)的設(shè)計(jì)策略可以擴(kuò)展至不同尺度和不同組分材料,在構(gòu)筑輕質(zhì)且具有優(yōu)異力學(xué)性能的新型結(jié)構(gòu)材料方面具有重要的應(yīng)用前景。
圖2. 多層級(jí)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的有限元模擬結(jié)果。(a-b)單軸壓縮和剪切變形下的應(yīng)力分布;(c-d)不同結(jié)構(gòu)楊氏模量及各向異性度隨相對(duì)密度的變化;(e-f)不同方向的楊氏模量
圖3. 不同取向的多層級(jí)微米點(diǎn)陣材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
圖4. ISO-COP混合多層級(jí)微米點(diǎn)陣材料楊氏模量及失效模式的理論預(yù)測(cè)