基于双光子聚合增材制造的张力超材料结构

供稿人:张道康、田小永
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

材料与结构的破坏往往与局部机制有着密不可分的关系，例如金属的剪切变形、陶瓷中的裂纹扩展和桁架结构中的支柱的弯曲。在轻质结构中，局部的变形往往会导致整体结构的变形失效，从而导致结构往往具有一个较小的有效应变范围。来自美国加州大学尔湾分校和佐治亚理工学院的研究人员开发了使变形非局部化的3D打印张力超材料，保证材料在受力变形时能够均匀变形，与同等强度的最新晶格架构相比，可变形性提高了25倍，吸收能量得到了数量级的提升。这项研究为高级工程系统的设计提供了重要的基础，从可重复使用的冲击防护系统到自适应的承重结构。

图1 利用相邻元胞的重复反射构造截断的八面体超级单元

科研人员通过张拉整体性（Tensegrity）设计原则，设计出一种重复反射构造截断的八面体超材料单元，并且利用双光子聚合技术直写3D打印制造而成。截断的八面体单元由沿多面体边缘的拉伸构件（红色）和单元内部的压缩构件（蓝色）组成。该单元结构无法在空间内实现阵列密铺，可以通过递归反射形成一个由八个单元构成超级单元，如图1所示。所有桁架构件均设计为方形条形，平均边缘长度约为950 nm。基本单元尺寸为10–20 μm，并且可以控制其结构的相对密度。为了进行对比，在与张力超材料相同的条件下制作了八角形桁架结构和开尔文泡沫结构。并对三种结构进行压缩测试，张力超材料保持着高度均匀的变形，并且与其应力应变曲线相应一致，而后两种结构均出现了局部破坏和失效的情况。

图2 三种不同结构压缩测试结果（从左到右依次为张力超材料结构、八面体桁架结构、开尔文泡沫结构）

这种基于微米级桁架和格栅的极轻便但具有很好强度和刚度的传统结构可以通过增材制造技术来制造，具有替代飞机、风力涡轮机叶片和许多其他应用中较重结构的潜力。张力超材料表现出前所未有的抗破坏性，极高的能量吸收，可变形性，通过对比桁架、壳类轻质结构有着明显的提升。张力超材料具有广阔的应用前景，包括可重复使用的冲击防护系统，大振幅隔振装置和自适应承重结构，这些结构可有效承受非线性载荷并通过无故障和可逆的大应变变形承受极限力。

参考文献：
J Bauer, Kraus J A , Crook C , et al. Tensegrity Metamaterials: Toward Failure‐Resistant Engineering Systems through Delocalized Deformation[J]. Advanced Materials, 2021. https://doi.org/10.1002/adma.202005647