史玉升教授團隊：以柚子皮為靈感的高能量吸收梯度仿生超材料的設(shè)計和3D打印

來源：機械工程學(xué)報

超材料是一種工程材料，具有獨特的屬性和先進的功能，這是其微結(jié)構(gòu)組成帶來的直接結(jié)果。雖然最初的特性和功能僅限于光學(xué)與電磁學(xué)，但在過去十年中出現(xiàn)了許多新型超材料，它們在許多不同的研究和實踐領(lǐng)域都有應(yīng)用，包括聲學(xué)、力學(xué)、生物材料和熱工等。

過去十年，旨在設(shè)計、模擬、制造和表征不同類型的超材料的研究在廣度和深度上都出現(xiàn)了爆炸性增長。這種前所未有的增長主要發(fā)生在三大發(fā)展的交匯處，這些發(fā)展相互加強，并促進了超材料的研究。增材制造-3D打印技術(shù)在超材料設(shè)計開發(fā)與制造中發(fā)揮了重要作用，特別是，可以在不同的長度尺度上制造功能材料和結(jié)構(gòu)，不同材料在一個單一結(jié)構(gòu)中具有任意復(fù)雜的多相分布，具有截然不同的機械和物理特性。

高比能量吸收（SEA）的輕質(zhì)、高強度超材料在航空航天和汽車領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。受柚子皮保護果肉的抗沖擊性和功能梯度結(jié)構(gòu)可提高比能量吸收（SEA）能力的啟發(fā)，華中科技大學(xué)史玉升教授團隊在一項研究中采用軟材料（光敏樹脂）和硬材料（Ti-6Al-4V）進行3D打印，制備了梯度仿生多面體超材料（GBPM），其SEA超過了前期報道中大多數(shù)軟材料和硬質(zhì)材料制造的超材料比能量吸收（SEA）。

相關(guān)論文發(fā)表在Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers。本期谷.專欄將分享該論文的亮點、試驗方法、結(jié)果與結(jié)論，以及這一技術(shù)的應(yīng)用前景。

論文亮點

圖1 SEA Ashby圖與各種現(xiàn)有超材料的對比

•提供了一種實現(xiàn)卓越能量吸收的仿生策略。

•驗證了材料對機械響應(yīng)和比能量吸收的影響。

•仿生梯度多面體的比能吸收超過了以前的大多數(shù)超材料。

試驗方法
激光選區(qū)熔化Ti-6Al-4V粉末及數(shù)字光處理光敏樹脂制造仿生多面體超材料，掃面電鏡觀察仿生多面體形貌，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮仿生多面體超材料，Abaqus動力學(xué)顯式仿真準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程。

圖2 仿生多面體超材料的形態(tài)演化：( a )自然界中的柚子表面和柚子皮；( b )柚子皮[ 8、15]的微觀結(jié)構(gòu)；( c )受柚子皮啟發(fā)設(shè)計了BPM單胞；( d )相對密度-支柱直徑關(guān)系；( E )設(shè)計了Ubpm模型；( f )設(shè)計了Gbpm模型。

結(jié)果
在壓縮試驗和數(shù)值模擬的指導(dǎo)下，SEA能力的提高與材料無關(guān)。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，波動區(qū)出現(xiàn)在硬材料制造的仿生多面體超材料（BPMs）中，而在軟材料制造的BPMs中不存在，導(dǎo)致軟材料制造GBPM的SEA值的增長率比硬材料制造GBPM提高了5.9倍。軟材料和硬材料制造的GBPM的SEA值分別為1.89 J/g和44.16 J/g，超過了先前研究中報道的大多數(shù)軟材料和硬質(zhì)材料制造的超材料的SEA。

結(jié)論
1. 分級設(shè)計降低了力學(xué)性能，將45°剪切斷裂轉(zhuǎn)化為逐層破壞。與硬材料制造的BPMs相比，軟材料制造的BPM表現(xiàn)出延遲的致密化應(yīng)變。

2. 提高SEA的梯度設(shè)計與所用材料無關(guān)。與UBPM相比，GBPM可以實現(xiàn)增強的SEA。在軟材料制造的BPMs的斷裂階段沒有出現(xiàn)波動區(qū)，與硬材料相比，軟材料制造GBPM的SEA值的增長率提高了5.9倍。

前景與應(yīng)用
仿生梯度設(shè)計可提高超材料的能量吸收效果，研究中所涉及的仿柚子皮梯度超材料的SEA超過了先前研究中報道的大多數(shù)軟材料和硬質(zhì)材料制造的超材料的SEA。以上發(fā)現(xiàn)可以指導(dǎo)具有高能量吸收以抵抗外部沖擊的超材料的設(shè)計。

原論文：
Zhi Zhang, Bo Song, Junxiang Fan, Xiaobo Wang, Shuaishuai Wei, Ruxuan Fang, Xinru Zhang, Yusheng Shi. Design and 3D Printing of Graded Bionic Metamaterial Inspired by Pomelo Peel for High Energy Absorption. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2023: 100068.
https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100068.

研究團隊

史玉升 華中科技大學(xué)華中學(xué)者領(lǐng)軍崗特聘教授
現(xiàn)任數(shù)字化材料加工技術(shù)與裝備國家地方聯(lián)合工程實驗室（湖北）主任，教育部創(chuàng)新團隊負責(zé)人。擔(dān)任Smart Manufacturing等多個期刊編委。國內(nèi)外發(fā)表論文200余篇，主編出版專著教材8部，主持國家科技支撐計劃、國家重點研發(fā)計劃、02和04科技重大專項、863、國家自然科學(xué)基金、國際合作等科研項目20余項。在增材制造領(lǐng)域，獲中國十大科技進展1項、中國智能制造十大科技進展1項、國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項、科技進步二等獎各2項、省部級一等獎8項、國際發(fā)明專利獎4項、湖北省優(yōu)秀專利獎1項、湖北省專利金獎1項、中國和湖北高校十大科技成果轉(zhuǎn)化項目各1項，獲發(fā)明專利40多項并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。研究成果被國內(nèi)外1000多家用戶所采用，不但服務(wù)于我國，而且也出口美英德等國。

宋波（本文通訊作者）教授
教育部聯(lián)合基金創(chuàng)新團隊項目負責(zé)人，軍委科技委國防科技創(chuàng)新特區(qū)“4D打印和特種制造技術(shù)”主題組專家；擔(dān)任14個期刊的編委或客座主編；主持國家自然科學(xué)基金，軍委科技委國防科技創(chuàng)新特區(qū)等項目15項；出版中英文專著3部，累計在Materials Today、Acta Materialia等期刊發(fā)表論文122篇（近5年一作/通訊57篇），SCI他引3869次，ESI高被引5篇，單篇SCI他引最高432次，相關(guān)研究成果獲國家自然科學(xué)基金委工材學(xué)部專欄報道；以第一獲獎人分別獲2022湖北省技術(shù)發(fā)明二等獎、2022機械工業(yè)科學(xué)技術(shù)發(fā)明二等獎、2021中國有色金屬十大科技進展；入選2019年國家自然基金委優(yōu)秀青年基金，2022年中國機械工業(yè)科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、美國斯坦福大學(xué)2021全球前2％頂尖科學(xué)家。