超材料是經(jīng)過(guò)精心構(gòu)造的材料；它們通常由周期性排列放置的單元塊組成。這些材料所表現(xiàn)出的特性和功能與其組成材料有所不同，它們不僅僅是結(jié)合了其組成材料的特性和功能，還能形成一些由結(jié)構(gòu)影響的獨(dú).特性能。其中，機(jī)械超材料是一類人為設(shè)計(jì)的微觀物理結(jié)構(gòu)組成的、具有特殊機(jī)械性能的超材料。由于其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸和材料組件方面的可調(diào)整性，機(jī)械超材料為改善材料的機(jī)械行為和特性提供了新的機(jī)會(huì)，并為各種領(lǐng)域提供了多功能應(yīng)用的潛質(zhì)。過(guò)去的幾十年中，人們不斷地在追求材料的輕質(zhì)化和高性能。一些報(bào)道指出簡(jiǎn)單立方（SC）板晶格在納米尺度上可以達(dá)到力學(xué)性能的理論極限，這種板晶格機(jī)械超材料由于其理論上優(yōu)異的機(jī)械特性和可人工調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)的低密度而逐漸受到人們的關(guān)注。但是此類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的研究在過(guò)去一直受到制造技術(shù)的限制，因此新型3D打印技術(shù)的出現(xiàn)使得對(duì)這種晶格結(jié)構(gòu)的深度研究成為可能。

近期，新加坡南洋理工大學(xué)Prof. Hu Xiao團(tuán)隊(duì)提出了利用微立體光刻技術(shù)（PμSL），采用新型面投影微立體光刻設(shè)備（nanoArch S140, 摩方精密BMF）來(lái)打印高精度的立方板晶格結(jié)構(gòu)，并成功制備出微米級(jí)到厘米級(jí)的簡(jiǎn)單立方晶格結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)研究了打印模型的單元數(shù)量、開(kāi)孔直徑等對(duì)壓縮性能的影響，并且將打印出來(lái)的結(jié)構(gòu)與其他目前報(bào)道的機(jī)械超材料等進(jìn)行了壓縮性能的比較。結(jié)果表明，增加單元數(shù)量可顯著提高抗壓強(qiáng)度和能量吸收能力，打印的立體板晶格結(jié)構(gòu)的比能量吸收能力甚至可以超過(guò)不銹鋼晶格結(jié)構(gòu)和目前文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)的其他聚合物晶格材料。

圖 1.（a）以往文獻(xiàn)中使用的理想單元板晶格模型。（b） 本工作中使用的理想板晶格單元。（c） 修改后帶孔的可打印立方板晶格單元。（d） 實(shí)驗(yàn)樣品Cubic444-0.5mm。（e）有限元模擬von Mises帶孔板晶格的壓縮-Cubic444-0.5mm。（f） PμSL打印技術(shù)示意圖。

該研究中，簡(jiǎn)單立方晶格模型的理想化單元設(shè)計(jì)以及修飾后帶孔單元的設(shè)計(jì)如圖1 (a)-(c)所示。打印后的一組4*4*4的模型如圖1 (d)所示，是一邊長(zhǎng)為1厘米的立方塊，里面整齊堆垛了64個(gè)立方晶格單元，除此之外，還打印了另外兩組：8*8*8，12*12*12的立方晶格結(jié)構(gòu)。打印出來(lái)的所有樣品都與設(shè)計(jì)的模型高度相似，具有非常高的打印精度，其中最薄的壁厚甚至能達(dá)到80微米。為了評(píng)估打印好的晶格模型的壓縮性能，對(duì)所有晶格結(jié)構(gòu)做了壓縮測(cè)試。圖2展示了壓縮后立方晶格的剛度、強(qiáng)度、能量吸收能力與晶格結(jié)構(gòu)的立方單元邊長(zhǎng)孔徑比之間的關(guān)系。

圖 2.（a） d/l = 0.4時(shí)的立方板晶格的實(shí)驗(yàn)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（b） 立方板晶格的壓縮剛度與 d/l的關(guān)系擬合曲線。（c）立方板晶格的壓縮強(qiáng)度吸收與 d/l的關(guān)系。（d） 立方板晶格的壓縮能量與 d/l的關(guān)系。

結(jié)果表明，在d/l = 0.4時(shí)觀察到的強(qiáng)度變化是由于樣品從正常結(jié)構(gòu)到超材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為的巨大差異。當(dāng) d/l 很小 （d/l < 0.3） 時(shí)，晶格更接近純板晶格拓?fù)?。?所.周.知，對(duì)于板晶格拓?fù)?，板的三維相交阻礙了板在受壓時(shí)的運(yùn)動(dòng)，因此板晶格總是以拉伸為主。然而，隨著d/l的增加，晶格開(kāi)始類似于梁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)制可能發(fā)生了變化。雖然在圖2 (a)中，Cubic 444樣品組表現(xiàn)出典型的拉伸主導(dǎo)行為的脆性應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線，但對(duì)于Cubic 888-0.5mm和Cubic 121212-0.32mm來(lái)說(shuō)，它們都存在著較長(zhǎng)且穩(wěn)定的屈服平臺(tái)且壓應(yīng)力有一定的增加。這些現(xiàn)象表明彎曲樣運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)制在結(jié)構(gòu)的壓縮時(shí)被激活。這些晶格中的確切運(yùn)動(dòng)機(jī)理可能很復(fù)雜，因?yàn)榧冎鶢顝澢袨榭赡懿⒉粐?yán)格適用于這些具有大相對(duì)密度（>30%）的樣品。偏離拉伸主導(dǎo)行為的結(jié)果可以在圖2d的能量吸收結(jié)果中看到。Cubic 444樣本組具有低能量吸收值，對(duì)應(yīng)于拉伸主導(dǎo)晶格的典型脆應(yīng)力 - 應(yīng)變行為。然而，Cubic 888和Cubic 121212具有更高的能量吸收，這對(duì)應(yīng)于增加的彎曲特性即允許在失效前發(fā)生更大程度的變形。因此隨著一個(gè)立方厘米內(nèi)單元晶格數(shù)量的增加，晶格結(jié)構(gòu)的能量吸收效率產(chǎn)生超乎尋常的增長(zhǎng)。

隨后，將立方板晶格與具有相同相對(duì)密度相似單元大小的立方桁架結(jié)構(gòu)和蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，如圖 3(a)所示。在失效前，立方板晶格具有比桁架結(jié)構(gòu)更大的應(yīng)變和更高的剛度。與蜂窩相比，雖然蜂窩的垂直面表現(xiàn)出出色的機(jī)械性能，但其側(cè)面壓縮吸收的能量、壓縮強(qiáng)度以及剛度都極低，幾乎不具有支撐性，所以蜂窩從不同方向進(jìn)行壓縮的性能差異極其明顯。而立方板晶格的三向力學(xué)性能相對(duì)來(lái)講更均勻，它在三向上具有相同的結(jié)構(gòu)特性，足夠承受來(lái)自三維方向上的壓力。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)將打印的所有晶格結(jié)構(gòu)與最近報(bào)道的許多其他不銹鋼或者聚合物基晶格材料的相對(duì)壓縮能量吸收能力都進(jìn)行了對(duì)比，如圖 3(b)所示，其大范圍可調(diào)節(jié)的能量吸收值最高約15 J/g，能力遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)報(bào)道的其他晶格材料，具有極.高的應(yīng)用潛能。

圖3. (a)不同結(jié)構(gòu)類型樣品的剛度、壓縮強(qiáng)度和能量吸收比較柱狀圖。(b) 比能量吸收（SEA）比較圖。