探索3D打印超材料：可控无序性如何增强结构韧性

2025年2月，南极熊获悉，来自宾夕法尼亚大学工程学院、宾夕法尼亚大学艺术与科学学院以及奥胡斯大学的研究团队在 Proceedings of the National Academy of Sciences Nexus上发表了一项研究，揭示了通过引入可控的无序性到某些材料结构中可以显著提高其断裂韧性，这项发现为机械超材料的发展提供了新的视角。


超材料的突破：内部几何设计的关键作用
机械超材料是一种利用3D打印技术制造出来的特殊材料，通过精确的几何设计获得了特有的物理和机械性能。然而，这类材料的一个主要挑战是断裂韧性较低。Kevin Turner教授指出：“我们发现，仅仅通过改变材料的内部几何形状，无需修改材料本身，就能使其韧性提高2.6倍。” 这一发现表明，调整内部结构可能是提升材料性能的有效途径。


△a)有序晶格和b)无序晶格(̅δ = 0.27)的光弹性图像

从自然中汲取灵感：无序模式的应用
研究人员从自然界中的材料如骨头、珍珠层等获得灵感，这些天然材料表现出微小但看似随机的变化，从而增强了它们的性能。基于这一点，研究团队进行了各种三角晶格图案的计算模拟，比较了对称设计与节点位置变化的设计。


△三种具有不同无序度的代表性设计

实验结果表明，具有不同区域几何形状的样品最能抵抗裂纹扩展。研究人员Sage Fulco解释道：“最佳的无序程度对于实现最高的性能水平至关重要，这意味着，在材料的设计中找到合适的无序度量是至关重要的。”


△Sage Fulco，机械工程与应用力学研究员

展望未来：拓展应用领域
随着这项研究的深入，科学家们希望能够在更多领域探索无序模式的潜力，特别是在航空航天等需要高度抗裂性和损伤容限的领域。此外，结合不同的材料并整合多尺度的几何设计也为未来的创新提供了无限可能。

3D打印技术的不断进步正在开辟新材料的可能性。例如，南科大、伯明翰大学、香港科技大学等机构的合作团队开发出了更坚韧的3D打印陶瓷复合材料；香港城市大学的研究人员则提高了3D打印聚合物部件的强度，使其成为冠状动脉支架和生物植入物的理想选择。

总之，通过引入可控的无序性来增强材料的抗开裂能力，不仅为机械超材料的发展提供了新思路，也预示着未来在多个领域的广泛应用前景。

原文下载：https://academic.oup.com/pnasnex ... 5680?searchresult=1