美国路易斯维尔大学丨具有可定制力学性能的3D打印超材料

首先，陈老师介绍了他们受海洋生物多层皮肤结构启发，所开发的3D打印多层建构化蜂窝复合材料（MCC）。这种建构化蜂窝复合材料的结构单元由多层硬材料的壳体和软材料复合而成，与单层的均一材料制作的蜂窝结构（VW）相比，MCC具有更低的刚度和强度，但是却具有更高的能量吸收能力。

     

在进行了试验和模拟后，他们发现这类材料可以有效的提高能量吸收率，并且可以避免结构在受力中发生的应变集中问题。所开发的3D打印多层建构化蜂窝复合材料吸收的能量可高于传统蜂窝结构四倍。更有趣的是，即使在开裂之后，这种多层建构化蜂窝复合材料（MCC）也具有很强的变形可恢复能力。这种较强的变形可恢复能力使其在循环荷载条件下具有非常好的吸能表现。陈老师从材料角度和结构角度来解释这一设计的优越性：从材料角度来说，其内部的超弹体能够储存能量，减少结构受到的损伤。从结构角度来讲，内部的柔性层提供了约束，提供了侧向的约束力，进而减少了结构的破坏。

     

其次，陈老师还详细介绍了通过合理布置梁和壳单元创建的建构化聚合物泡沫。在这种建构化材料的设计中，他们团队采用了层级化双材料的设计方法，通过控制梁单元的壳单元的几何参数，并进行层级化的设计，调控建构化聚合物泡沫的力学性能。陈老师对比了均匀布置梁和壳体（UF），均匀设计壳体梯度设计梁体（GBF），均匀设计梁体梯度设计壳体（GTF），梯度设计梁体和壳体（HGF）四种结构设计策略，发现改变梁体或者壳体的厚度便可以控制整体结构的破坏模式。而且在一个较小的范围内调整壳体的厚度时，可以成倍的增加其强度。通过单轴压缩试验和有限元模拟发现，与渐变晶格结构相比，这种泡沫的刚度和能量吸收能力分别增加了346%和141%。

     

图4  基于梁和壳单元设计的建构化聚合物泡沫

     

在讲座的第三部分，陈老师介绍一组具有几何分形设计的晶格超材料，主要面向于诸如可穿戴设备、柔性显示器等柔性的可拉伸材料。陈老师团队将Kerfing引入柔性表面的制造中，通过kerfing可以将相对较硬的金属和木材等材料设计为柔性结构。此外，他们还引入了多阶的结构设计。在同样的材料用量下，每升一阶，材料的柔性便上升一个数量级。通过三阶kerfing的复杂图形减材制造，可以使材料获得非凡的柔性和延展性。这种柔性设计策略可以用来设计用于耗能和减振的超材料设计，通过结构滑动摩擦和材料固有阻尼来耗散能量。该设计策略具有巨大的潜力，可以创造出具有出色拉伸性、可调振动声学特性和形状变形能力的软结构材料。

本次讲座中，陈老师向我们展现了新材料结构在重量、多功能性和鲁棒性等方面的卓越表现。传统的材料结构在面临极端力学的情况时表现很差，而“他山之石可以攻玉”，通过对材料引入结构化设计，巧妙利用双/多材料的各自性能，将能实现“以少胜多”和“1+1>2”的优越性能，满足不同场景下对材料和结构的性能要求。陈老师的讲座为我们提供了新的材料结构设计方法和思路，这也将为土木工程材料结构的研究带来新思路，同时也展现了3D打印技术在新材料结构的设计制造中的优异表现。