具有雙相強(qiáng)化微晶格的微型飛行器3D打印

供稿人:張道康、田小永 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

機(jī)械超材料是一種具有廣闊應(yīng)用前景的先進(jìn)材料，可以通過改變其微觀結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)其獨(dú)特的機(jī)械性能，對(duì)于微晶格結(jié)構(gòu)來說，其具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度和高能量吸收等眾多理想的機(jī)械性能，在醫(yī)療植入體、航空航天、運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域有具有極高的應(yīng)用價(jià)值。由于微晶格結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，對(duì)于傳統(tǒng)制造具有很高的挑戰(zhàn)性，近年來，高分辨率 3D 打印技術(shù)使制造具有高精度和復(fù)雜幾何形狀的大規(guī)模微晶格成為可能。然而，具有周期性晶胞的典型微晶格通常表現(xiàn)出不足的機(jī)械性能，阻礙了它們廣泛的實(shí)際應(yīng)用。 對(duì)于受晶體學(xué)啟發(fā)的設(shè)計(jì)，已經(jīng)有經(jīng)典的晶格，例如體心立方 (BCC)、面心立方 (FCC)、八重桁架 (OCT)晶格材料等已被工程應(yīng)用所采用。在合金設(shè)計(jì)中結(jié)合了組合冶金強(qiáng)化機(jī)制，包括晶粒尺寸效應(yīng)、沉淀和多相硬化，以開發(fā)具有堅(jiān)固和耐損傷特性的多相超材料。受到晶體學(xué)中雙相強(qiáng)化機(jī)制的啟發(fā)，該作者將OCT單元作為第二相加入到BCC晶格結(jié)構(gòu)的45°對(duì)角線平面中，如圖1所示，并將結(jié)構(gòu)通過3D打印制造，運(yùn)用于微型飛行器中。

圖1 雙相OCT-BCC微晶格超材料的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用

該文章對(duì)于雙相OCT-BCC晶格進(jìn)行了力學(xué)測(cè)試，如圖2所示，其中雙相OCT-BCC晶格沿方向1和方向2的壓縮比強(qiáng)度為4 kPa·m 3·kg -1和6.8kPa·m 3·kg -1，與原始BCC晶格的壓縮比強(qiáng)度相比分別提高了300%和600%，證明了雙相微晶格結(jié)構(gòu)對(duì)于單一晶格結(jié)構(gòu)的提升。與原始BCC晶格相比，雙相OCT-BCC晶格沿方向1和方向2的壓縮剛度分別增加了約250%和300%。此外，基于特定應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積，可以得到OCT-BCC晶格在兩個(gè)壓縮方向上的比能量吸收比原始BCC晶格高得多。雙相微晶格結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的力學(xué)性能，一方面是因?yàn)镺CT晶格比BCC晶格具有更強(qiáng)的能量吸收能力。另一方面，OCT晶格的引入限制了BBC晶格結(jié)構(gòu)的變形，從而導(dǎo)致額外的能量吸收。

圖2 3D打印的OCT-BCC微晶格和BCC微晶格樣件及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

總的來說，該文章展示了一種受晶體學(xué)啟發(fā)的微晶格設(shè)計(jì)高性能機(jī)械超材料的有效策略，并成功制造出尺寸高達(dá)5.0 cm×2.0 cm×1.0 cm的OCT-BCC 微晶格超材料并應(yīng)用于微型飛行器。采用雙相OCT-BCC微晶格超材料的微型飛行器機(jī)身重量減少約65%，并且飛行持續(xù)時(shí)間增加約40%。盡管仍有進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)的空間，該雙相晶格強(qiáng)化的策略進(jìn)一步推動(dòng)了高分辨率3D打印微晶格超材料在微型飛行器和航空航天等其他領(lǐng)域的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：
Xiao, R. et al. "3D printing of dual phase-strengthened microlattices for lightweight micro aerial vehicles." Materials & Design 206.3(2021):109767.