技術(shù)文章
Technical articles近年來基于3D打印的微格點(diǎn)陣超材料吸引了大量的關(guān)注,點(diǎn)陣超材料具有優(yōu)異的比強(qiáng)度、比剛度,良好的減震降噪、吸能緩沖效果、突出的吸聲和屏蔽等許多*的功能特性,被譽(yù)為結(jié)構(gòu)-功能一體化材料,在生物醫(yī)學(xué)、電池電極以及運(yùn)動(dòng)器材、無人機(jī)減重等領(lǐng)域都有*應(yīng)用。其中,在無人機(jī)上應(yīng)用超材料可以有效減輕其重量,減少其飛行所需的推力和功耗,從而提高電池續(xù)航時(shí)間與飛行持續(xù)時(shí)間,進(jìn)而更好地拓展無人機(jī)在民用、偵察,救援和娛樂等領(lǐng)域的應(yīng)用。此外,微格點(diǎn)陣超材料出色的能量吸收能力可以幫助無人機(jī)抵抗飛行過程中的撞擊和碰撞,點(diǎn)陣鏤空結(jié)構(gòu)還可以促進(jìn)無人機(jī)的散熱。
為優(yōu)化點(diǎn)陣超材料的機(jī)械性能,人們提出了多種多樣的設(shè)計(jì)策略,其中,受晶體學(xué)啟發(fā)的超材料設(shè)計(jì)策略頗具代表性。例如,已被廣泛采用的經(jīng)典多孔晶格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)如體心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)(BCC)、面心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)(FCC)、八度桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)(OCT)等均是受晶體學(xué)中原子/離子排列的啟發(fā)而形成的超材料設(shè)計(jì)。
近日,香港城市大學(xué)機(jī)械系及納米制造實(shí)驗(yàn)室(NML)陸洋、生物醫(yī)學(xué)工程系Pakpong Chirarattananon和西安電子科技大學(xué)高立波等報(bào)道了一種受金屬硬化機(jī)制中的第二相粒子強(qiáng)化機(jī)制啟發(fā)的多級(jí)微點(diǎn)陣超材料設(shè)計(jì)新策略。該策略思路如下:通過將OCT單元作為第二相粒子引入BCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的45°對(duì)角平面,從而得到一種*的OCT-BCC雙相微點(diǎn)陣超材料。與原始BCC點(diǎn)陣超材料相比,該OCT-BCC雙相微點(diǎn)陣超材料的壓縮比強(qiáng)度沿水平方向和縱向顯著增加了?300%和?600%,同時(shí)也伴隨著剛度和能量吸收能力的顯著提高。
圖1 基于雙相增強(qiáng)概念設(shè)計(jì),通過面投影微立體光刻(PμSL)3D打印的OCT-BCC雙相微點(diǎn)陣超材料
圖2 OCT-BCC雙相微點(diǎn)陣超材料與原始BCC微點(diǎn)陣材料的3D打印和力學(xué)測(cè)試
為了證明這種*的OCT-BCC雙相微點(diǎn)陣超材料的制造可擴(kuò)展性和實(shí)際應(yīng)用潛力,該工作還通過摩方精密開發(fā)的基于面投影微立體光刻(PμSL)的3D打印技術(shù)(nanoArch P130, S140, BMF Precision, Shenzhen, China)成型了尺寸為5.0 cmx 2.0 cm x 1.0 cm的大尺寸OCT-BCC雙相微點(diǎn)陣超材料,并將其成功集成到微型無人機(jī)(MAV)的機(jī)身中。和原本的實(shí)心機(jī)身對(duì)比,集成了OCT-BCC雙相微點(diǎn)陣超材料的輕量化機(jī)身重量減少了~ 65%,從而使得微型無人機(jī)的飛行時(shí)間實(shí)現(xiàn)了~ 40%的顯著提升。
圖3 OCT-BCC雙相微點(diǎn)陣超材料應(yīng)用于微型無人機(jī)構(gòu)件以實(shí)現(xiàn)減重及服役時(shí)間提升
采用OCT-BCC微點(diǎn)陣超材料的微型無人機(jī)相較普通實(shí)心構(gòu)件的無人機(jī)飛行時(shí)間提升達(dá)40%(視頻10倍提速)
該工作不僅提出了一種有效的超材料增強(qiáng)設(shè)計(jì)方法,而且還展示了高精度PμSL (nanoArch P130, S140, BMF Precision, Shenzhen, China)3D打印超材料在微型無人機(jī)等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。相關(guān)成果以題為“3D printing of dual phase-strengthened microlattices for lightweight micro aerial vehicles”的論文發(fā)表在國際知名期刊Materials& Design上。