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海螺殼以其優良的韌性而聞名，這一特點與其內部獨特的交錯層狀結構及界面間的模量差異息息相關。將這兩個特徵引入機械超材料設計可有望獲得具有良好吸能特性的仿生結構。藉助基於面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術可輕鬆實現空間內交錯層狀結構的實時、可控制備。然而，海螺殼中通過多材料實現的界面模量差異對於單材料打印而言具有一定挑戰性。


圖1. 仿生機械超材料設計與分析

香港城市大學機械工程系陸洋教授課題組提出了一種獨特的節點約束異質性設計概念。通過構建杆件的約束梯度來實現機械超材料內部破壞位置與破壞順序的有效調控。進而，在機械超材料內部構建出獨特的長程結構周期性，即在保留整體結構周期性的基礎上引入了局域結構特殊性，從而避免了具有單一內部單元結構的機械超材料在受力變形過程中出現的大面積剪切帶及機械性能指標衰減現象。


圖2.仿生機械超材料壓縮實驗驗證


圖3. 仿生機械超材料有限元模擬分析

作者通過綜合運用實驗與仿真手段對仿生機械超材料進行了系統的分析與研究。具有一維結構長程周期性的單層仿生機械超材料在壓縮過程中展現出了多條、分布均勻的剪切帶及獨特的自增強響應。通過進一步擴展機械超材料長程周期性的維度，三層仿生機械超材料表現出了更為優異的機械性能指標及跨層變形遲滯性。此外，有限元仿真分析結果也揭示了節點約束梯度對調控仿生機械超材料內部破壞位置與破壞順序的有效性。即使聚合物打印基體材料經過高溫脆化處理，該仿生結構在壓縮實驗中依然展現了4544 kJ/kg的比吸能指標。隨着3D打印技術的愈發成熟，結構設計方案對材料性能的提升可作為一種具有通用性的技術解決方案。通過與不同的基體材料相結合，該機械仿生超材料有望取代目前在多領域中廣泛應用的泡沫材料。

該項成果獲得了深圳市科創委基礎研究項目及香港城市大學研究項目的經費支持，以「Three Dimensional Printing of Bioinspired Crossed-Lamellar Metamaterials with Superior Toughness for Syntactic Foam Substitution」為題發表於國際期刊《ACSApplied Materials & Interfaces》。

原文鏈接

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c12297

作者簡介





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陸洋，香港城市大學機械工程學系教授，香港城市大學深圳研究院納米製造實驗室(NML)研究員、主任。主要從事微納米力學、原位電鏡及微納先進制造技術研究，特別是對於低維材料的力學行為及其尺度效應的探索，促進其在微機械/機電系統及先進制造等實際應用。陸老師與合作者在早前的研究中發現了超細金屬納米線的「冷焊」現象以及納米尺度下硅和金剛石的「超大彈性」，有望應用於創新微電子以及量子器件。近年來也重點關注新型高熵、中熵合金的鍍膜技術及其機械性能尺度效應的探索，為高、中熵合金在機械超材料和輕質構件等製造領域的應用提供技術支撐，並取得一系列原創科研成果。他以第一或通訊作者在Science、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Science Advances、Nature Communications等學術刊物發表文章100餘篇，並擔任Materials Today、Acta Mechanica Sinica、ScienceChina Technological Sciences等期刊的編輯。

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