通过材料“尺寸效应”实现对微纳3D打印结构的力学性能调控

来源：极端制造
作者：张文强，叶海涛，冯骁斌，周文钊，曹可，李茂源，范素峰，陆洋
单位：香港城市大学，香港城市大学深圳研究院，华中科技大学等

以面投影微立体光刻(PμSL)为例，目前高精度光固化三维(3D)打印已经被广泛应用于快速制造具备微纳特征尺寸的高分辨率聚合物模板结构，用于规模化成形制造特征尺寸小至几微米甚至百纳米级别的定制化3D微晶格（microlattice）机械超材料(mechanical metamaterials)。然而，聚合物3D打印件单元的本征力学性能在相关对应的尺度上尚没有系统的力学特性研究。特别是当超材料结构件的特征尺寸进入微米/亚微米级别时，缺乏对其弹塑性在对应特征尺寸下的根本理解，将大大限制了其在微/纳米晶格（microlattice/nanolattice）和其他多功能结构超材料(structural metamaterials)应用中的性能评估和可靠应用。然而，受限于目前的微纳尺度力学表征的技术困难，相关研究尚处于起步阶段。

近期，香港城市大学机械工程系的陆洋教授及其合作团队在制造领域的顶尖期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《Tailoring Mechanical Properties of PμSL 3D-Printed Structures via Size Effect》的研究文章，基于实验室客制化的原位微纳米力学实验平台，在光镜下和电镜里，系统研究了PμSL 3D打印聚合物结构单元的“尺寸效应”。研究发现，在特征尺寸（单元杆直径）从20 μm到60 μm范围内，PμSL打印的聚合物微纤维强度与韧性显著提高，表现出明显的尺寸相关的力学行为。而当特征尺寸减小到20 μm，断裂应变高达~100%，断裂强度高达~100 MPa。这种三维光固化打印聚合物的显著“尺寸效应”可以使得PμSL打印微晶格的材料强度和刚度可以在更大范围内进行设计与调控，从而使制备的微晶格机械超材料具有增强的/可调的力学性能，或作为模板按照特定用途优化，并适用于各种结构和多功能应用。

图 1 PμSL 打印（nanoArch P130,摩方精密）的聚合物微纤维样品的制备与原位力学表征

图2 PμSL 打印聚合物微纤维的尺寸相关力学性能及其机制

结合PμSL 打印聚合物的尺寸效应，作者设计并制备出具有相同几何形状、相对密度，不同杆尺寸的微晶格结构。结果表明，杆尺寸为20 μm的微晶格模量为~87MPa，是杆尺寸为60μm的微晶格模量(~43 MPa)的两倍；当晶格屈服后，杆尺寸为20 μm的微晶格应力随应变继续增大，表现出应变硬化特征，而杆尺寸为60 μm的微晶格表现出典型脆性材料应力应变曲线。这也提醒我们在设计微晶格超材料时应该重点考虑聚合物杆结构尺寸。这一结果也为使微晶格单元的材料强度和刚度在很大范围内可以按需调控，为新型微/纳米晶格力学超材料的合理设计和优化提供了基础。

图3 通过结构单元“尺寸效应”来调控微晶格力学超材料结构的整体力学性能

该项成果获得了深圳市科创委基础研究项目、长沙科技局项目及香港城市大学研究项目经费支持。

作者团队简介：
第一作者：
张文强，香港城市大学机械工程学系博士毕业生，香港城市大学深圳研究院纳米制造实验室(NML)博士后。

通讯作者：
李茂源，华中科技大学材料学院博士后，香港城市大学访问学者；
陆洋，香港城市大学机械工程学系教授，材料科学与工程学系兼职教授，香港城市大学深圳研究院纳米制造实验室(NML)主任。
团队主页: 香港城市大学纳米制造实验室 http://sri.cityu.edu.hk/sri/htm/RD_centers_nanofabricating.asp