鑽石舞台

具有多孔、輕質優點的點陣材料在航天航空、交通運輸、能源環保和生物醫藥等領域有着廣泛的應用前景。然而，隨着密度的降低，其模量、強度等力學性能也會很快衰減。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領域的研究熱點和重要挑戰之一。

針對上述問題和挑戰，清華大學航天航空學院李曉雁教授課題組首先採用力材料學（Mechanomaterials）的理念設計了曲面單胞，然後通過面投影微立體光刻技術和雙光子光刻技術製備了基於極小曲面的聚合物微米點陣材料，並進一步採用高溫熱解獲得了基於極小曲面的熱解碳納米點陣材料（圖1）。所製備的曲面微納米點陣材料的特徵尺寸在幾百微米至幾百納米範圍內變化。原位壓縮實驗表明，基於I-WP極小曲面的微納米點陣材料表現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變能分布，使其能夠達到更優的力學性能。

圖1.多種桁架、平板和曲面單胞結構以及製備得到的不同特徵尺寸的微納米點陣材料

更為重要的是，基於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，導致其比強度高達4.42GPa g-1cm3，同時能夠承受20%壓縮應變而不發生破壞。

這些性能均優於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性能不僅得益於其優異的拓撲結構，同時與其納米尺度的特徵尺寸密切相關。研究表明，在許多材料體系中都存在着「越小越強」的尺寸效應。當材料的特徵尺寸小於特定的臨界尺寸時，其強度將接近理論強度，且表現出缺陷不敏感的特性。本研究工作分析了特徵尺寸跨越了三個量級的曲面微納米點陣材料的力學性能，結果表明，其歸一化的屈服強度隨特徵尺寸的減小而增強（圖3），這進一步表明了微納米力學超材料中的尺寸效應。這些研究成果表明：基於力材料學理念，通過功能基元序構設計，並結合先進制備方法，可以獲得綜合力學性能優異的納米結構材料。這對於進一步理解微納米構築材料的力學性能與其拓撲結構、特徵尺寸以及本體材料性能之間的關係具有重要意義。

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、強度與特徵尺寸之間的依賴

基於上述成果，李曉雁課題組近日在《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciencesof the United States of America）上發表題為「實現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。

清華大學航天航空學院李曉雁教授和新加坡南洋理工大學高華健教授為本文的共同通訊作者。清華大學航天航空學院2022屆博士畢業生王宇嘉為論文第一作者。航院2018屆博士畢業生張璇和航院博士後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基金委重大研究計劃培育項目、創新群體項目等項目的資助。

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