通過先進制造技術(shù)構(gòu)建具有周期性規(guī)則特征的微點陣結(jié)構(gòu)，可以與各類材料相結(jié)合形成力學(xué)超材料，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)塊體材料難以達到的非凡性能。例如，在需要大變形和能量吸收的應(yīng)用中，已廣泛采用由復(fù)合材料或金屬構(gòu)成的點陣超材料；而由碳或陶瓷所構(gòu)成的點陣超材料，則主要因其低密度和高比強度而受到關(guān)注。然而，當(dāng)前已有的各類力學(xué)超材料無法同時滿足透明度及其他光學(xué)特性要求，這嚴(yán)重制約了其在非平面電子屏幕或異形結(jié)構(gòu)玻璃等特定領(lǐng)域中的應(yīng)用需求。
有鑒于此，香港大學(xué)機械工程系陸洋教授課題組在近期與香港理工大學(xué)溫燮文教授合作發(fā)展的高精度微納石英玻璃3D打印（Nat. Commun., 2024, 15(1), 2689）工作基礎(chǔ)上，更進一步通過結(jié)合拉伸主導(dǎo)型的高機械效率octet-truss拓撲構(gòu)型，成功制備了具有可定制化機械性能的透明玻璃微點陣力學(xué)超材料（圖1）。該進展拓寬了力學(xué)超材料的種類范圍，為實現(xiàn)輕量化高強度透明超材料鋪平了道路，并為各類多功能應(yīng)用提供了機會。
圖1：3D打印玻璃微點陣力學(xué)超材料的制備示意圖。（A）通過多步后處理過程，將打印所得的二氧化硅-聚合物納米復(fù)合前驅(qū)體逐步轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量、無缺陷的透明石英玻璃。（B）各階段下微點陣結(jié)構(gòu)對應(yīng)的光學(xué)和掃描電子顯微鏡圖像。
課題組通過采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)3D打印設(shè)備（nanoArch? P130 & nanoArch? S140），制備了一系列具有不同拓撲構(gòu)型（相對密度、特征尺寸、單元數(shù)量）的玻璃微點陣超材料；利用原位微納米機械測試系統(tǒng)研究其力學(xué)行為，并結(jié)合有限元模擬分析、Bazant-斷裂理論、Weibull-最弱鏈理論和線彈性理論，揭示了玻璃微點陣的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系（圖2）。
圖2：不同拓撲構(gòu)型下玻璃微點陣超材料的力學(xué)行為。（A）相對密度所主導(dǎo)的力學(xué)行為：隨著相對密度的增加，玻璃微點陣超材料破壞模式從逐層破壞轉(zhuǎn)變逐步演變?yōu)闉?zāi)難性的脆性斷裂模式；根據(jù)有限元模擬結(jié)果顯示，該轉(zhuǎn)變由裂紋在基體中沿不同方向擴展機制所決定。（B）特征尺寸所主導(dǎo)的力學(xué)行為：通過 均勻減小桿件特征尺寸，可以有效增強玻璃微點陣超材料的整體機械性能，包括結(jié)構(gòu)標(biāo)稱強度和歸一化材料強度，符合“越小越強”現(xiàn)象。（C）單元數(shù)量所主導(dǎo)的力學(xué)行為：通過增加單元數(shù)量，可以有效減輕邊緣效應(yīng)，并提升特征變化的均質(zhì)性和獨立性，從而顯著提高玻璃微點陣超材料的可靠性和一致性。
綜上所述，課題組采取了一種策略，即在降低相對密度的同時均勻減少特征尺寸并增加單元數(shù)目（圖3D），以有效提升玻璃微點陣力學(xué)超材料的整體機械性能，并且保持其輕質(zhì)特性（圖3A）。最優(yōu)拓撲構(gòu)型的玻璃微點陣力學(xué)超材料能夠輕松承受其自身數(shù)千倍重量的載荷，且不會引發(fā)任何形式的失效（圖3B）；同時，由于玻璃微點陣本身具有較輕的質(zhì)量，其密度僅為0.198 g/cm3，遠低于商業(yè)聚氨酯泡沫的密度（0.5 g/cm3），可以輕松地放置在商業(yè)泡沫上而不會引起任何形變（圖3C）。
圖3：通過在透明玻璃微點陣力學(xué)超材料中實現(xiàn)輕量化和高強度特性。
該成果以“3D-printed fused silica glass microlattice as mechanical metamaterial”為題發(fā)表于國際期刊《Cell Reports Physical Science》上，課題組2020級博士研究生黎子永為該論文第一作者。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102172
