3D打印超高强纳米点阵材料，达到理论强度极限

来源：长三角G60激光联盟

据悉，具有高强度甚至达到多孔材料强度的理论极限是固体力学领域的研究热点和重要挑战之一。清华大学航天航空学院李晓雁教授课题组首先采用力材料学（Mechanomaterials）的理念设计了曲面单胞，然后通过面投影微立体光刻技术和双光子光刻技术制备了基于极小曲面的聚合物微米点阵材料。

具有多孔、轻质优点的点阵材料在航天航空、交通运输、能源环保和生物医药等领域有着广泛的应用前景。然而，随着密度的降低，其模量、强度等力学性能也会很快衰减。如何使点阵材料在低密度的同时，具有高强度甚至达到多孔材料强度的理论极限是固体力学领域的研究热点和重要挑战之一。

针对上述问题和挑战，清华大学航天航空学院李晓雁教授课题组首先采用力材料学（Mechanomaterials）的理念设计了曲面单胞，然后通过面投影微立体光刻技术和双光子光刻技术制备了基于极小曲面的聚合物微米点阵材料，并进一步采用高温热解获得了基于极小曲面的热解碳纳米点阵材料（图1）。所制备的曲面微纳米点阵材料的特征尺寸在几百微米至几百纳米范围内变化。原位压缩实验表明，基于I-WP极小曲面的微纳米点阵材料表现出比早先的桁架点阵和平板点阵更高的模量和强度。有限元模拟进一步揭示了极小曲面点阵在压缩变形过程中具有比桁架点阵和平板点阵更均匀的应变能分布，使其能够达到更优的力学性能。

图1.多种桁架、平板和曲面单胞结构以及制备得到的不同特征尺寸的微纳米点阵材料

更为重要的是，基于I-WP极小曲面的热解碳纳米点阵材料展示了超高的模量、强度和比强度。当密度为0.53-0.80g/cm3时，其强度达到了多孔材料强度的理论极限。最高强度可达3.52GPa，导致其比强度高达4.42GPa g-1cm3，同时能够承受20%压缩应变而不发生破坏。

这些性能均优于目前已有的所有三维微纳米点阵材料（图2）。这些曲面热解碳纳米点阵材料前所未有的力学性能不仅得益于其优异的拓扑结构，同时与其纳米尺度的特征尺寸密切相关。研究表明，在许多材料体系中都存在着“越小越强”的尺寸效应。当材料的特征尺寸小于特定的临界尺寸时，其强度将接近理论强度，且表现出缺陷不敏感的特性。本研究工作分析了特征尺寸跨越了三个量级的曲面微纳米点阵材料的力学性能，结果表明，其归一化的屈服强度随特征尺寸的减小而增强（图3），这进一步表明了微纳米力学超材料中的尺寸效应。这些研究成果表明：基于力材料学理念，通过功能基元序构设计，并结合先进制备方法，可以获得综合力学性能优异的纳米结构材料。这对于进一步理解微纳米构筑材料的力学性能与其拓扑结构、特征尺寸以及本体材料性能之间的关系具有重要意义。

图2.极小曲面热解碳纳米点阵材料与其他材料的力学性能对比

图3.极小曲面热解碳微纳米点阵材料模量、强度与特征尺寸之间的依赖

基于上述成果，李晓雁课题组近日在《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciencesof the United States of America）上发表题为“实现强度理论极限的曲面热解碳纳米点阵材料”（Achieving the theoretical limit of strength in shell-based carbon nanolattices）的研究论文。

清华大学航天航空学院李晓雁教授和新加坡南洋理工大学高华健教授为本文的共同通讯作者。清华大学航天航空学院2022届博士毕业生王宇嘉为论文第一作者。航院2018届博士毕业生张璇和航院博士后李子鹤也参与了该项研究工作。本研究得到了国家自然科学基金委重大研究计划培育项目、创新群体项目等项目的资助。
论文链接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2119536119