通過材料“尺寸效應(yīng)”實現(xiàn)對微納3D打印結(jié)構(gòu)的力學性能調(diào)控

來源：極端制造
作者：張文強，葉海濤，馮驍斌，周文釗，曹可，李茂源，范素峰，陸洋
單位：香港城市大學，香港城市大學深圳研究院，華中科技大學等

以面投影微立體光刻(PμSL)為例，目前高精度光固化三維(3D)打印已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于快速制造具備微納特征尺寸的高分辨率聚合物模板結(jié)構(gòu)，用于規(guī)�；�成形制造特征尺寸小至幾微米甚至百納米級別的定制化3D微晶格（microlattice）機械超材料(mechanical metamaterials)。然而，聚合物3D打印件單元的本征力學性能在相關(guān)對應(yīng)的尺度上尚沒有系統(tǒng)的力學特性研究。特別是當超材料結(jié)構(gòu)件的特征尺寸進入微米/亞微米級別時，缺乏對其彈塑性在對應(yīng)特征尺寸下的根本理解，將大大限制了其在微/納米晶格（microlattice/nanolattice）和其他多功能結(jié)構(gòu)超材料(structural metamaterials)應(yīng)用中的性能評估和可靠應(yīng)用。然而，受限于目前的微納尺度力學表征的技術(shù)困難，相關(guān)研究尚處于起步階段。

近期，香港城市大學機械工程系的陸洋教授及其合作團隊在制造領(lǐng)域的頂尖期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發(fā)表《Tailoring Mechanical Properties of PμSL 3D-Printed Structures via Size Effect》的研究文章，基于實驗室客制化的原位微納米力學實驗平臺，在光鏡下和電鏡里，系統(tǒng)研究了PμSL 3D打印聚合物結(jié)構(gòu)單元的“尺寸效應(yīng)”。研究發(fā)現(xiàn)，在特征尺寸（單元桿直徑）從20 μm到60 μm范圍內(nèi)，PμSL打印的聚合物微纖維強度與韌性顯著提高，表現(xiàn)出明顯的尺寸相關(guān)的力學行為。而當特征尺寸減小到20 μm，斷裂應(yīng)變高達~100%，斷裂強度高達~100 MPa。這種三維光固化打印聚合物的顯著“尺寸效應(yīng)”可以使得PμSL打印微晶格的材料強度和剛度可以在更大范圍內(nèi)進行設(shè)計與調(diào)控，從而使制備的微晶格機械超材料具有增強的/可調(diào)的力學性能，或作為模板按照特定用途優(yōu)化，并適用于各種結(jié)構(gòu)和多功能應(yīng)用。

圖 1 PμSL 打�。╪anoArch P130,摩方精密）的聚合物微纖維樣品的制備與原位力學表征

圖2 PμSL 打印聚合物微纖維的尺寸相關(guān)力學性能及其機制

結(jié)合PμSL 打印聚合物的尺寸效應(yīng)，作者設(shè)計并制備出具有相同幾何形狀、相對密度，不同桿尺寸的微晶格結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，桿尺寸為20 μm的微晶格模量為~87MPa，是桿尺寸為60μm的微晶格模量(~43 MPa)的兩倍；當晶格屈服后，桿尺寸為20 μm的微晶格應(yīng)力隨應(yīng)變繼續(xù)增大，表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征，而桿尺寸為60 μm的微晶格表現(xiàn)出典型脆性材料應(yīng)力應(yīng)變曲線。這也提醒我們在設(shè)計微晶格超材料時應(yīng)該重點考慮聚合物桿結(jié)構(gòu)尺寸。這一結(jié)果也為使微晶格單元的材料強度和剛度在很大范圍內(nèi)可以按需調(diào)控，為新型微/納米晶格力學超材料的合理設(shè)計和優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

圖3 通過結(jié)構(gòu)單元“尺寸效應(yīng)”來調(diào)控微晶格力學超材料結(jié)構(gòu)的整體力學性能

該項成果獲得了深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究項目、長沙科技局項目及香港城市大學研究項目經(jīng)費支持。

作者團隊簡介：
第一作者：
張文強，香港城市大學機械工程學系博士畢業(yè)生，香港城市大學深圳研究院納米制造實驗室(NML)博士后。

通訊作者：
李茂源，華中科技大學材料學院博士后，香港城市大學訪問學者；
陸洋，香港城市大學機械工程學系教授，材料科學與工程學系兼職教授，香港城市大學深圳研究院納米制造實驗室(NML)主任。
團隊主頁: 香港城市大學納米制造實驗室 http://sri.cityu.edu.hk/sri/htm/RD_centers_nanofabricating.asp