復合空心格柵的結構設計與微觀結構（a）復合空心晶格的多尺度設計圖解；（b）來自復合空心晶格傾斜視圖的SEM圖像；（c）復合空心晶格的放大SEM圖像，碳化聚多巴胺（C PDA）拉曼圖的G峰；（d）復合空心晶格的空心支柱管壁TEM圖像，顯示氧化鋁納米層的厚度為15nm和C-PDA納米層的厚度為8納米。



彎曲為主的空心晶格的變形和破壞機制。（a）晶格節點處的單軸壓縮試驗所引起的變形可分為：梁拉伸、梁彎曲和節點彎曲。（b）空心復合晶格單軸壓縮的有限元建模（FEM）表明應力集中在晶格的節點上。（c）來自不同格點的凸起空心節點。有限元可視化是在2.61%的應變下進行的。在有限元結果的基礎上，對不同格點的節點進行了相應的實驗觀測。在33%的壓縮應變下拍攝SEM圖像。（d）比較了不同格柵中豎直支柱的破壞情況。陶瓷晶格的支柱在中間表現出屈曲和扭結，當復合材料格柵的支柱僅在一個裂縫處傾斜時，破壞在支柱與水平連接點處開始。

理想材料不僅需要像機械一樣堅固可靠，而且還要輕質。大自然很容易做到這一點，如磚和砂漿，結合軟，輕材料進行周期性組合，產生具有優良強度、剛度和韌性的復合材料。然而，用實驗室中的材料來模擬大自然的智慧，這一點被證明是非常棘手的。

現在，由普渡大學Gary J. Cheng領導的美國和中國研究人員團隊已經提出了一種克服“混合物規則”的策略，創建超輕、機械可靠的復合材料[Deng et al., Materials Today (2018), https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.03.027]。

陶瓷材料輕質而堅固，但本質上很脆。然而，3D打印的出現使得制造內部具有復雜微結構和納米結構的復合材料能夠彌補這一缺點。中空3D結構 為“機械超材料”帶來了希望，這種結構大大減輕了重量，提高了剛度和強度。迄今為止，這種機械超材料分為兩類，由可伸展晶格（S晶格）和彎曲晶格（B晶格）支配的桁架結構。S-晶格中的支柱不能旋轉或彎曲，因此這些結構具有高的剛度，但他們在壓縮下屈曲。相比之下，B-晶格具有更靈活的抗沖擊應變，因為他們的支柱可以旋轉和彎曲。

相反，Cheng和他的團隊創建了一種彎曲主導的空心納米材料（B-H晶格），具有優異的強度、可恢復性和循環性，他們涂覆碳化聚合物納米層以減少變形過程中的彎曲。

“我們發現，陶瓷納米線的機械性能可以通過納米陶瓷/碳納米晶格顯著改善，使它們具有更好的剛度、循環性和剛性/強度重量比，”他解釋道。

B-H晶格是由相互連接的垂直支柱支撐的蝶形單元構成的。使用UV固化樹脂模板形成復雜的結構，這種模板用光刻法制造。氧化鋁與外部的納米層碳化聚多巴胺在模板上沉積。最后，除去模板，留下一種表現出高剛度、低密度、在沒有應變（不超過55%）的情況下不彎曲的超材料，并且在循環加載（15%應變）下是穩定的。

“我們的材料的新穎之處在于它的非屈曲行為，這是第一次實現這種恢復機制” Cheng說。

新型超材料可以通過彎曲來適應較大的應變，同時抑制變形過程中的屈曲。他說，與天然材料相比，超材料的性能是突出的。

現在，這個團隊想展示這種超材料的大規模生產。

Cheng說：“在未來10年，我們的研究將有助于像陶瓷基多功能結構、機械穩定儲能設備、輕質高強度材料和能量耗散結構的應用。”

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