清華大學(xué)《Small》：混合多層級點(diǎn)陣材料的構(gòu)筑設(shè)計與力學(xué)性能

自然界中的許多輕質(zhì)生物材料同時具有多種優(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)性能與其多層級的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。近些年，多層級的設(shè)計策略被成功地應(yīng)用到三維力學(xué)超材料的構(gòu)筑設(shè)計和制備中，但是目前這些三維多層級力學(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，對于多層級點(diǎn)陣材料而言，研究其各向異性的程度并設(shè)計出各向同性的多層級點(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)計了多種新型的混合多層級點(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)的多層級微米點(diǎn)陣材料。有限元模擬表明，通過在不同層級上選取合適的單胞結(jié)構(gòu)，混合多層級點(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桁架多層級點(diǎn)陣更高的模量（圖2）。對制備的不同取向的多層級微米點(diǎn)陣材料的原位力學(xué)測試表明，相比于各向異性的自相似octet桁架多層級微米點(diǎn)陣，混合多層級微米點(diǎn)陣在相同相對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)測的結(jié)果一致（圖3）。對于表現(xiàn)出彈性各向同性的ISO-COP混合多層級點(diǎn)陣材料，研究團(tuán)隊通過理論分析建立了其楊氏模量及失效模式與各層級結(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)一步理解多層級結(jié)構(gòu)各層級之間力學(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。相比于單一層級的平板點(diǎn)陣，桁架-平板混合多層級點(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的設(shè)計策略可以擴(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混合多層級微米點(diǎn)陣材料楊氏模量及失效模式的理論預(yù)測