傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多面向力學(xué)性能優(yōu)化，在保證力學(xué)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化。隨著高端制造業(yè)的發(fā)展，構(gòu)件面臨極端服役環(huán)境，具有復(fù)雜化、整體化和多功能屬性。多物理場耦合的多功能超材料設(shè)計(jì)逐漸發(fā)展起來。超材料結(jié)構(gòu)往往極端復(fù)雜，具有宏微觀跨尺度特點(diǎn)，傳統(tǒng)制造技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)，增材制造技術(shù)在制造這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面具有顯著優(yōu)勢。

      華中科技大學(xué)史玉升教授團(tuán)隊(duì)近年來在Materials Today, Bioactive Materials, Acta Materialia, Engineering, Applied Materials Today等期刊上發(fā)表系列文章，發(fā)展了多場耦合的超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，建立了仿生設(shè)計(jì)、有限元仿真、結(jié)構(gòu)計(jì)算、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能預(yù)測等模型，突破了多性能耦合設(shè)計(jì)約束限制，拓展了多性能設(shè)計(jì)與調(diào)控空間，為超材料設(shè)計(jì)與增材制造技術(shù)在航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

本期谷.專欄將分享該團(tuán)隊(duì)在“超材料設(shè)計(jì)與增材制造”方向上取得的一系列研究成果的核心內(nèi)容。

多孔結(jié)構(gòu)-來自大自然的靈感
© 3D科學(xué)谷白皮書

       華中科技大學(xué)史玉升教授團(tuán)隊(duì)在材料類期刊Materials Today上系統(tǒng)闡述了力學(xué)、聲學(xué)等各類超材料基本原理和典型應(yīng)用，介紹了典型超材料設(shè)計(jì)方法與增材制造工藝的研究進(jìn)展，討論了增材制造多場耦合超材料性能、超材料在設(shè)計(jì)方法方面的局限性、增材制造技術(shù)缺點(diǎn)以及超材料的發(fā)展趨勢（Mater. Today, 2021, 50, 303-328）。

圖1 超材料分類及典型應(yīng)用

 力學(xué)超材料

以功能為導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有成本效益高、省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，擁有較大的發(fā)展?jié)摿ΑＭㄟ^為給定單元和給定區(qū)域構(gòu)造邊界條件與優(yōu)化目標(biāo)，可拓?fù)湓O(shè)計(jì)出新型功能結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)提出了通過均勻化應(yīng)變拓?fù)湓O(shè)計(jì)最大體模量力學(xué)微結(jié)構(gòu)方法，并利用激光選區(qū)熔化（SLM）成功制備。通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，研究了拓?fù)鋬?yōu)化超材料的力學(xué)性能和能量吸收能力。

結(jié)果表明，隨著晶格微結(jié)構(gòu)單元數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制從逐層斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)?5°傾斜斷裂。拓?fù)鋬?yōu)化的晶格結(jié)構(gòu)的相對彈性模量為0.037，優(yōu)于大多數(shù)已報(bào)道的晶格結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的晶格結(jié)構(gòu)在0.15應(yīng)變下能量吸收效率達(dá)67.9%（J. Manuf. Process., 2020, 56: 1166–1177）。

圖2 基于晶格的力學(xué)超材料靈感來自原子的堆積和竹子的中空特征。（A） 晶格原子的微觀形態(tài)；（B-C）竹子的宏觀和微觀形態(tài)特征；（D）仿生八重桁架力學(xué)超材料

即便擁有先進(jìn)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，當(dāng)前的力學(xué)超材料性能仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于許多生物結(jié)構(gòu)。受中空結(jié)構(gòu)的強(qiáng)韌性竹子啟發(fā)，通過SLM成形基于八重桁架力學(xué)超材料。在數(shù)值模擬的指導(dǎo)下，通過內(nèi)外直徑來實(shí)現(xiàn)仿生力學(xué)超材料輕量化，在低密度（1.25 g/cm3）下獲得高壓縮比強(qiáng)度（87.19 kN•m/kg），且不會(huì)在八重桁架結(jié)構(gòu)配置中失去各向同性（di =0.59 mm，do=1.10 mm）。研究成果提供了一種仿生設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)具有各向同性及輕質(zhì)高強(qiáng)力學(xué)的超材料設(shè)計(jì)與制備（Appl. Mater. Today, 2022, 26, 101268）。

 聲學(xué)超材料

吸聲超材料在低頻噪聲吸收領(lǐng)域有著重要意義，傳統(tǒng)吸聲材料被制備后，其結(jié)構(gòu)也隨之固定，無法根據(jù)外界噪聲頻率變化做出相應(yīng)吸收能力的調(diào)整。團(tuán)隊(duì)基于聲音頻率共振消聲原理，通過設(shè)計(jì)迷宮式結(jié)構(gòu)，采用熔融沉積成形FDM 3D訂技術(shù)成形了吸聲性能可調(diào)的低頻吸聲超材料，根據(jù)外接聲波頻率變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同頻率噪聲的吸收，吸聲頻率在298-379 Hz寬頻范圍內(nèi)可調(diào)（Chin. J. Mech. Eng.: Addit. Manuf. Front., 2022, 100036）。

圖3 五模超材料類流體聲學(xué)性能結(jié)果。（A）塊體鈦合金聲場云圖；（B）五模超材料聲場云圖；（C）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；（D）總散射界面，定義為各方向散射功率與平面波入射功率的比值

五模超材料是由周期性單胞組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，具有水或流體等有效物理性質(zhì)，可有效調(diào)控水下聲波的傳輸路徑。團(tuán)隊(duì)研究了模擬流體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、五模超材料的形態(tài)特征、有限元法預(yù)測的應(yīng)力分布、力學(xué)性能和變形機(jī)理；提出了一種兩步優(yōu)化策略設(shè)計(jì)五模超材料，建立了水下聲波頻散設(shè)計(jì)方法，研究成果在中船重工實(shí)現(xiàn)了原理驗(yàn)證（Engineering, 2020, 6, 56-67; Compos. Struct., 2019, 226, 111199）。

 熱學(xué)超材料

輕質(zhì)高強(qiáng)兼具散熱吸能超材料在航空航天和汽車應(yīng)用中具有重要意義。團(tuán)隊(duì)受柚皮對果肉屏蔽保護(hù)的啟發(fā)，提出了柚皮微結(jié)構(gòu)仿生多面體超材料設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的散熱和吸能效果。

圖4 受柚皮圖形啟發(fā)的多面體晶格結(jié)構(gòu)的形態(tài)演變：（A）自然界中的柚子；（B）柚皮的形態(tài)；（C）受柚皮圖形啟發(fā)的多面體單元；（D）具有各種橫截面形狀的設(shè)計(jì)支柱

在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的指導(dǎo)下，具有圓形支柱的超材料在Re=7000–30000時(shí)具有最高的努塞爾數(shù)、最低的壓降和摩擦系數(shù)，表現(xiàn)出更高的散熱指數(shù)；在0.92孔隙率下，熱效率系數(shù)超過1，表現(xiàn)出較強(qiáng)的隔熱能力。此外，具有圓形支柱的仿生多面體結(jié)構(gòu)的比能量吸收超越傳統(tǒng)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，在燃?xì)廨啓C(jī)和冷卻結(jié)構(gòu)上有著重要應(yīng)用前景（Adv. Mater. Technol. 2022, 2200076）。

 生物超材料

孔隙率、模量、骨組織再生、應(yīng)力屏蔽是骨支架設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的約束條件，團(tuán)隊(duì)提出了一種雙錐支柱設(shè)計(jì)策略，減少類金剛石多孔金屬生物材料的應(yīng)力屏蔽，同時(shí)保持不變的孔隙率。設(shè)計(jì)的生物超材料骨支架的彈性模量和屈服強(qiáng)度，與傳統(tǒng)金剛石晶格相比分別低41.46%和46.42%，有利于骨支架力學(xué)性能與宿主骨匹配，避免了應(yīng)力屏蔽（Int. J. Mech. Sci., 2021, 197, 106331）。

利用五模超材料構(gòu)建骨支架來平衡孔隙率、力學(xué)與傳質(zhì)等多項(xiàng)性能。與傳統(tǒng)金屬生物材料相比，五模超材料生物超材料骨支架具有分級的孔隙分布、合適的強(qiáng)度等特點(diǎn)，顯著提高了細(xì)胞接種效率、滲透性和耐沖擊能力，促進(jìn)了體內(nèi)成骨，在細(xì)胞增殖和骨再生方面有著廣闊的應(yīng)用前景（Acta Biomater., 2020, 112, 298-315；Bioact. Mater., 2022, in press）。

圖5 海膽棘及其仿生生物超材料支架的拓?fù)湫螒B(tài)：海膽棘的針狀外觀和梯度孔隙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。（A）光學(xué)圖像顯示了海膽脊椎的自然特征；（B）微觀計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）圖像在水平視圖和縱向視圖中顯示內(nèi)部分級孔隙度；（C）SEM圖像在（c1-c2）剖面圖中顯示了精細(xì)的內(nèi)部形態(tài)；（D）植入物內(nèi)多孔支架位置示意圖；（E）仿生梯度生物五模超材料支架；（F） 與水平視圖中的均勻支柱相比，縱向視圖和錐形支柱拓?fù)渲刑荻让芏鹊膸缀翁卣?/span>

團(tuán)隊(duì)提出基于板格結(jié)構(gòu)超材料設(shè)計(jì)新型骨支架，這類支架具有的平面壓力狀態(tài)不僅提升了力學(xué)性能，有效解決了傳統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)骨支架中普遍存在的應(yīng)力集中問題。模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本研究成果提出的板格超材料骨支架具有與人骨相匹配的力學(xué)與傳質(zhì)性能，通過各向異性特征對板格超材料骨支架的力學(xué)與傳質(zhì)性能的調(diào)控范圍分別高40%和45%。上述發(fā)現(xiàn)為新型骨支架的設(shè)計(jì)與廣泛應(yīng)用提供重要參考（Acta Biomater., 2022, 148: 374-388）。

 仿晶格超材料

受晶體材料中Hall-Petch關(guān)系啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了具有解耦機(jī)械和質(zhì)量傳輸特性的晶格超材料，以滿足人工骨支架的需要。壓縮實(shí)驗(yàn)和傳質(zhì)計(jì)算結(jié)果表明，縱橫比為1和至少4個(gè)單元的晶格超材料具有最優(yōu)的綜合性能。該仿晶格結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法為開發(fā)廣泛工程應(yīng)用的多場耦合超材料提供了無限可能（Acta Mater. 2022, in press）。

圖6 仿晶格超材料生物多孔支架設(shè)計(jì)示意圖。（A）用于修復(fù)骨缺損的人工生物醫(yī)學(xué)支架示意圖，其中需要同時(shí)優(yōu)化力學(xué)和傳質(zhì)性能；（B）緊密形式排列的金剛石原子架構(gòu)；SLM制造（C）Al-Cu-Mg和（D）Ti/Al-Cu-Mg樣品側(cè)面的EBSD（電子背散射衍射）取向圖；（E）受金剛石原子啟發(fā)，具有幾何可設(shè)計(jì)性的金剛石微晶格；（F）柱狀金剛石微晶格；（G）等軸金剛石微晶格

     團(tuán)隊(duì)提出了一種模仿晶體結(jié)構(gòu)各向異性超材料設(shè)計(jì)策略，通過構(gòu)建具有不同的晶面（取向：[001]、[110]和[111]）和晶向（旋轉(zhuǎn)度：15°/Step）的晶格超材料，實(shí)現(xiàn)了彈性響應(yīng)和質(zhì)量傳輸性能的獨(dú)立調(diào)控。結(jié)果顯示，力學(xué)性能和傳質(zhì)性能的耦合關(guān)系減弱，對晶格超材料晶面和取向方向具有方向依賴性（Compos. Part B, 2022, 236, 109837）。

(責(zé)任編輯：admin)

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