近年來，結構化材料通過其胞元結構的設計展現出許多優異的性能，如：超高剛度、超高強度、負泊松比、負熱膨脹等等，因此被廣泛地應用到航空航天、醫療器械、能源工程以及電子技術等多個領域。然而，現階段多數結構化材料都由同一胞元的周期性排列構成，從而導致單一的同質變形響應，并將性能限制在較小的范圍內。因此，深入挖掘異質組裝在性能提升方面的巨大潛力，通過開發不同胞元的多種空間排列策略來獲取更加優異的性能，這一研究方向有著重要的學術和應用價值。
近日，西安交通大學的洪軍/李寶童課題組通過對巨量高精度性能數據的分析（共選取了由各種性能迥異胞元組裝形成的745752類材料），發現了一種正負泊松比胞元的異質組裝使力學性能（這里指楊氏模量和泊松比）顯著增強的現象（在不增加材料用量的情況下，楊氏模量增強了超過兩個數量級）。受該現象啟發，研究團隊經過嚴謹的數學公式推導，建立了一種精準計算力學性能的理論模型，并基于模型進一步提出了用于獲取可編程極限性能的幾何設計準則。
通過應用這些準則，得到了具有現階段最接近楊氏模量理論極限的幾何結構。與此同時，性能的可編程特性可以通過調整胞元的數量比例來實現。最后，利用數值仿真、理論計算和精密試驗等多種方法對這種顯著的性能增強效應進行了全面驗證。團隊采用摩方精密microArch?S240（精度：10μm）3D打印設備，完成了在楊氏模量上具有兩個數量級以上增強效果的材料樣件的制備，并實現了樣件在長度尺度上由微米尺度到宏觀尺度的跨越。
團隊提出的準則通過對基礎胞元的篩選和空間布局的組裝使原本性能普通的胞元發揮出近乎極限的力學性能，進而構建出一條通往楊氏模量和泊松比理論極限的“橋梁”。此外，這些篩選和組裝準則的核心是針對胞元的力學性能，對其拓撲、形狀和大小并沒有約束。因此，該準則為極限力學性能的幾何設計提供了更大的空間，極大增加了結構化材料的應用價值。
相關研究成果以"Design criteria for architected materials with programmable mechanical properties within theoretical limit ranges"為題發表在期刊《Advanced Science》上，西安交通大學機械工程學院尹鵬博士研究生為第一作者，西安交通大學機械工程學院洪軍教授、李寶童教授、陳小明教授為共同通訊作者，該工作得到了國家自然科學基金委的大力支持。
圖1. HAMs的構造設計策略。a) HAMs的設計策略，包括胞元的異質組裝和HRVEs的同質組裝。b) HAM的構造過程。c) 裝配策略對楊氏模量的增強效應。d) HAM和基本胞元的相對楊氏模量與階次關系圖。e) 根據通用準則設計的HAM的彈性性能。
圖2. 數值實驗中HAMs的彈性性能。a) 數值實驗Ⅰ中HAM的彈性性能（HRVE階數由2×2到4×4）。b) 數值實驗Ⅰ中12組HAM的彈性性能范圍（材料的相對楊氏模量和泊松比）。c) 數值實驗Ⅱ中HAM的彈性性能（HRVE階數由2×2到15×15）。
圖3. 各組極端性能對應的 HRVE 幾何。圖中顯示了12個胞元對的幾何、具有極端性能的HAM的HRVE幾何，以及每組具有極端性能的HAM與基本胞元相比的性能增強倍數。
圖4. 實驗和仿真結果。a) 幾何分解的 10×10 HAM 的3D打印圖像。b) 10×10樣品在單軸拉伸測試中的機械變形響應（0% 施加應變（上）和 1% 施加應變（下））。c) 10×10樣品的實驗應力-應變曲線。d) 不同組裝階次下材料相對楊氏模量的實驗和模擬數據。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202307279
