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

來(lái)源：機(jī)械工程學(xué)報(bào)

超材料是一種工程材料，具有獨(dú)特的屬性和先進(jìn)的功能，這是其微結(jié)構(gòu)組成帶來(lái)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(guò)去十年中出現(xiàn)了許多新型超材料，它們?cè)谠S多不同的研究和實(shí)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(guò)去十年，旨在設(shè)計(jì)、模擬、制造和表征不同類(lèi)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(zhǎng)。這種前所未有的增長(zhǎng)主要發(fā)生在三大發(fā)展的交匯處，這些發(fā)展相互加強(qiáng)，并促進(jìn)了超材料的研究。增材制造-3D打印技術(shù)在超材料設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與制造中發(fā)揮了重要作用，特別是，可以在不同的長(zhǎng)度尺度上制造功能材料和結(jié)構(gòu)，不同材料在一個(gè)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(jī)械和物理特性。

高比能量吸收（SEA）的輕質(zhì)、高強(qiáng)度超材料在航空航天和汽車(chē)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。受柚子皮保護(hù)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(tuán)隊(duì)在一項(xiàng)研究中采用軟材料（光敏樹(shù)脂）和硬材料（Ti-6Al-4V）進(jìn)行3D打印，制備了梯度仿生多面體超材料（GBPM），其SEA超過(guò)了前期報(bào)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(zhuān)欄將分享該論文的亮點(diǎn)、試驗(yàn)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(diǎn)

圖1 SEA Ashby圖與各種現(xiàn)有超材料的對(duì)比

•提供了一種實(shí)現(xiàn)卓越能量吸收的仿生策略。

•驗(yàn)證了材料對(duì)機(jī)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(guò)了以前的大多數(shù)超材料。

試驗(yàn)方法
激光選區(qū)熔化Ti-6Al-4V粉末及數(shù)字光處理光敏樹(shù)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(dòng)力學(xué)顯式仿真準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過(guò)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(jì)了BPM單胞；( d )相對(duì)密度-支柱直徑關(guān)系；( E )設(shè)計(jì)了Ubpm模型；( f )設(shè)計(jì)了Gbpm模型。

結(jié)果
在壓縮試驗(yàn)和數(shù)值模擬的指導(dǎo)下，SEA能力的提高與材料無(wú)關(guān)。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)中，波動(dòng)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(zhǎng)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(guò)了先前研究中報(bào)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(jí)設(shè)計(jì)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(jì)與所用材料無(wú)關(guān)。與UBPM相比，GBPM可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的SEA。在軟材料制造的BPMs的斷裂階段沒(méi)有出現(xiàn)波動(dòng)區(qū)，與硬材料相比，軟材料制造GBPM的SEA值的增長(zhǎng)率提高了5.9倍。

前景與應(yīng)用
仿生梯度設(shè)計(jì)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(guò)了先前研究中報(bào)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(jì)。

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(tuán)隊(duì)

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(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室（湖北）主任，教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。擔(dān)任Smart Manufacturing等多個(gè)期刊編委。國(guó)內(nèi)外發(fā)表論文200余篇，主編出版專(zhuān)著教材8部，主持國(guó)家科技支撐計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、02和04科技重大專(zhuān)項(xiàng)、863、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)際合作等科研項(xiàng)目20余項(xiàng)。在增材制造領(lǐng)域，獲中國(guó)十大科技進(jìn)展1項(xiàng)、中國(guó)智能制造十大科技進(jìn)展1項(xiàng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)各2項(xiàng)、省部級(jí)一等獎(jiǎng)8項(xiàng)、國(guó)際發(fā)明專(zhuān)利獎(jiǎng)4項(xiàng)、湖北省優(yōu)秀專(zhuān)利獎(jiǎng)1項(xiàng)、湖北省專(zhuān)利金獎(jiǎng)1項(xiàng)、中國(guó)和湖北高校十大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目各1項(xiàng)，獲發(fā)明專(zhuān)利40多項(xiàng)并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。研究成果被國(guó)內(nèi)外1000多家用戶(hù)所采用，不但服務(wù)于我國(guó)，而且也出口美英德等國(guó)。

宋波（本文通訊作者）教授
教育部聯(lián)合基金創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，軍委科技委國(guó)防科技創(chuàng)新特區(qū)“4D打印和特種制造技術(shù)”主題組專(zhuān)家；擔(dān)任14個(gè)期刊的編委或客座主編；主持國(guó)家自然科學(xué)基金，軍委科技委國(guó)防科技創(chuàng)新特區(qū)等項(xiàng)目15項(xiàng)；出版中英文專(zhuān)著3部，累計(jì)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(guó)家自然科學(xué)基金委工材學(xué)部專(zhuān)欄報(bào)道；以第一獲獎(jiǎng)人分別獲2022湖北省技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、2022機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、2021中國(guó)有色金屬十大科技進(jìn)展；入選2019年國(guó)家自然基金委優(yōu)秀青年基金，2022年中國(guó)機(jī)械工業(yè)科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、美國(guó)斯坦福大學(xué)2021全球前2％頂尖科學(xué)家。