3D打印超高強納米點陣材料，達到理論強度極限

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

據(jù)悉，具有高強度甚至達到多孔材料強度的理論極限是固體力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點和重要挑戰(zhàn)之一。清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁教授課題組首先采用力材料學(xué)（Mechanomaterials）的理念設(shè)計了曲面單胞，然后通過面投影微立體光刻技術(shù)和雙光子光刻技術(shù)制備了基于極小曲面的聚合物微米點陣材料。

具有多孔、輕質(zhì)優(yōu)點的點陣材料在航天航空、交通運輸、能源環(huán)保和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。然而，隨著密度的降低，其模量、強度等力學(xué)性能也會很快衰減。如何使點陣材料在低密度的同時，具有高強度甚至達到多孔材料強度的理論極限是固體力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點和重要挑戰(zhàn)之一。

針對上述問題和挑戰(zhàn)，清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁教授課題組首先采用力材料學(xué)（Mechanomaterials）的理念設(shè)計了曲面單胞，然后通過面投影微立體光刻技術(shù)和雙光子光刻技術(shù)制備了基于極小曲面的聚合物微米點陣材料，并進一步采用高溫?zé)峤猥@得了基于極小曲面的熱解碳納米點陣材料（圖1）。所制備的曲面微納米點陣材料的特征尺寸在幾百微米至幾百納米范圍內(nèi)變化。原位壓縮實驗表明，基于I-WP極小曲面的微納米點陣材料表現(xiàn)出比早先的桁架點陣和平板點陣更高的模量和強度。有限元模擬進一步揭示了極小曲面點陣在壓縮變形過程中具有比桁架點陣和平板點陣更均勻的應(yīng)變能分布，使其能夠達到更優(yōu)的力學(xué)性能。

圖1.多種桁架、平板和曲面單胞結(jié)構(gòu)以及制備得到的不同特征尺寸的微納米點陣材料

更為重要的是，基于I-WP極小曲面的熱解碳納米點陣材料展示了超高的模量、強度和比強度。當(dāng)密度為0.53-0.80g/cm3時，其強度達到了多孔材料強度的理論極限。最高強度可達3.52GPa，導(dǎo)致其比強度高達4.42GPa g-1cm3，同時能夠承受20%壓縮應(yīng)變而不發(fā)生破壞。

這些性能均優(yōu)于目前已有的所有三維微納米點陣材料（圖2）。這些曲面熱解碳納米點陣材料前所未有的力學(xué)性能不僅得益于其優(yōu)異的拓撲結(jié)構(gòu)，同時與其納米尺度的特征尺寸密切相關(guān)。研究表明，在許多材料體系中都存在著“越小越強”的尺寸效應(yīng)。當(dāng)材料的特征尺寸小于特定的臨界尺寸時，其強度將接近理論強度，且表現(xiàn)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個量級的曲面微納米點陣材料的力學(xué)性能，結(jié)果表明，其歸一化的屈服強度隨特征尺寸的減小而增強（圖3），這進一步表明了微納米力學(xué)超材料中的尺寸效應(yīng)。這些研究成果表明：基于力材料學(xué)理念，通過功能基元序構(gòu)設(shè)計，并結(jié)合先進制備方法，可以獲得綜合力學(xué)性能優(yōu)異的納米結(jié)構(gòu)材料。這對于進一步理解微納米構(gòu)筑材料的力學(xué)性能與其拓撲結(jié)構(gòu)、特征尺寸以及本體材料性能之間的關(guān)系具有重要意義。

圖2.極小曲面熱解碳納米點陣材料與其他材料的力學(xué)性能對比

圖3.極小曲面熱解碳微納米點陣材料模量、強度與特征尺寸之間的依賴

基于上述成果，李曉雁課題組近日在《美國科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciencesof the United States of America）上發(fā)表題為“實現(xiàn)強度理論極限的曲面熱解碳納米點陣材料”（Achieving the theoretical limit of strength in shell-based carbon nanolattices）的研究論文。

清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁教授和新加坡南洋理工大學(xué)高華健教授為本文的共同通訊作者。清華大學(xué)航天航空學(xué)院2022屆博士畢業(yè)生王宇嘉為論文第一作者。航院2018屆博士畢業(yè)生張璇和航院博士后李子鶴也參與了該項研究工作。本研究得到了國家自然科學(xué)基金委重大研究計劃培育項目、創(chuàng)新群體項目等項目的資助。
論文鏈接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2119536119