袁上欽，王志豪，李 江，朱繼宏

近年來，研究者發(fā)現(xiàn)三維機(jī)械超材料具有天然材料不具備的機(jī)械性能，例如負(fù)泊松比、剛度和熱膨脹性。盡管大多數(shù)已開發(fā)的超材料都可以用于工程項(xiàng)目，但由于增材制造使用的材料機(jī)械性能不足，以及制造過程中存在不可避免的結(jié)構(gòu)缺陷，很難達(dá)到高效的吸收能量。超材料[1–5]是理想的人工材料，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，可以用于控制光[6]、聲音[7–8]、機(jī)械應(yīng)力[9–10]等，從而使其具有自然材料無法實(shí)現(xiàn)的特性，比如：光學(xué)性質(zhì)[11]、聲學(xué)性質(zhì)[6]、機(jī)械性[12–13]和許多其他物理特性。研究者在金屬晶體的變形過程中，首次觀察到具有高度有序堆積的三維拉脹材料[14–15]。迄今為止，機(jī)械超材料促進(jìn)了原理上不相容的機(jī)械性能組合，例如剛度、阻尼能力和負(fù)泊松比[16–18]。這些屬性均來自材料與結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型排列，以及材料組分的固有特性。但是通過傳統(tǒng)的材料開發(fā)（例如化學(xué)合成和自組裝）和傳統(tǒng)的制造方法（例如模制、加工和切割）很難實(shí)現(xiàn)材料配方的定制以及跨領(lǐng)域的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

三維機(jī)械超材料具有的高能量吸收能力、可重復(fù)使用的機(jī)械減震能力、可控制的機(jī)械行為和可重構(gòu)性等性能已被研究者預(yù)測(cè)[12，18–19]。Babaee 等[12]設(shè)計(jì)了一組通過Bucklicrystals 產(chǎn)生的機(jī)械超材料，并從理論上揭示了機(jī)械超材料屈曲引起的膨脹。機(jī)械超材料與傳統(tǒng)的能量吸收材料不同，后者是由空隙和組成材料的隨機(jī)空間排列導(dǎo)致的固體泡沫組成的，它會(huì)導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)異質(zhì)性和不均勻性。金屬或塑料的變形行為通常是不可控的，因此很難實(shí)現(xiàn)定向的拓?fù)湓O(shè)計(jì)。但是，實(shí)際加工的超材料很少具有較高的能量吸收能力。面向終端用途，關(guān)鍵在于超材料的設(shè)計(jì)和制造一體化，特別是材料配方和空間結(jié)構(gòu)的理想組合。

3D 打印或增材制造（Additive manufacturing，AM）為合理設(shè)計(jì)和控制周期性變化的結(jié)構(gòu)提供了機(jī)會(huì)，而結(jié)構(gòu)的拓?fù)淇梢詭椭鷮?shí)現(xiàn)其更好的性能，例如負(fù)剛度和負(fù)泊松比。例如，Wang 等[10]展示的輕型機(jī)械超材料具有可調(diào)節(jié)的負(fù)熱膨脹以及超高剛度[13]的性能，這要?dú)w功于先進(jìn)的微立體光刻技術(shù)以及三維材料數(shù)字化功能。Frenzel 等[9]設(shè)計(jì)并制作了三維手征微結(jié)構(gòu)，其扭曲自由度在數(shù)量上超過了Cauchy 彈性。

通過選擇性激光燒結(jié)（Selective laser sintering，SLS）進(jìn)行的3D 打印已被用于制造陶瓷、金屬和聚合物復(fù)合材料，其尺度范圍從微米到幾米不等[18，20]。這種方法的本質(zhì)是設(shè)計(jì)粉末的成分和微觀結(jié)構(gòu)，使其具有理想的流動(dòng)能力并與激光源相互作用，最終冷凝成為塊狀復(fù)合材料[21–22]。激光燒結(jié)的拉脹超材料可以滿足以下吸收能量的要求：（1）強(qiáng)韌；（2）結(jié)構(gòu)中具有的柔性節(jié)點(diǎn)或連接點(diǎn)；（3）壓縮后發(fā)生大變形；（4）制造大型結(jié)構(gòu)。同時(shí)，與其他需要額外支撐結(jié)構(gòu)、布局或者后處理復(fù)雜的AM 技術(shù)（如選擇激光熔化（Selective laser melting，SLM）、熔融沉積建模（Fused deposition modelling，F(xiàn)DM）和立體光刻術(shù)）相比，SLS 具有無支撐材料、易于后處理、成本低以及可以成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

在航空制造領(lǐng)域，復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性尤其重要。同其他航空材料相比，復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)有更高的強(qiáng)度、更輕的重量、更好的減振以及降噪能力，這為其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。目前復(fù)合材料已經(jīng)開始在客機(jī)上應(yīng)用，空客A350 的用量接近總質(zhì)量的53%，波音787 也超過了50%。為了滿足航空應(yīng)用的需求、獲得適航批準(zhǔn)的構(gòu)件，需要使用復(fù)合材料制造部分零件，如飛機(jī)前機(jī)身段、阻力板、機(jī)翼外翼、整流壁板，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片、盤、軸、機(jī)匣、傳動(dòng)桿等部件，機(jī)艙門鎖拴軸和機(jī)翼肋條等。其中，負(fù)泊松比材料具有較高的抗沖擊能力和減震性能，可以制成大型薄壁件的填充結(jié)構(gòu)、機(jī)匣及機(jī)艙門等構(gòu)件的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)。材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和組成體系需要高度耦合，同時(shí)增材制造復(fù)合材料為機(jī)械超材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。因此，本研究開發(fā)了尼龍與納米碳管的復(fù)合粉末，設(shè)計(jì)了不同孔數(shù)的體心立方（Body centered cubic，BCC）結(jié)構(gòu)的拉脹晶格，通過SLS 工藝制造負(fù)泊松比晶格結(jié)構(gòu)，拓展增材制造機(jī)械超材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。

試驗(yàn)及方法

1 復(fù)合粉末制備方法

通過表面活性劑處理碳納米管（CNT），通過溶液降溫沉積法將CNT附著到尼龍（PA12）粉末表面，形成復(fù)合CNT/PA12 粉末。PA12 粉末（德國(guó)KraillingEOS GmbH，PA2200），直徑為20～40nm 或40～60nm。多壁CNT溶液長(zhǎng)度大于5μm（杭州Corker 復(fù)合材料有限公司）。將水合膽酸鈉（BoXtra，≥99%，Sigma–Aldrich）用作表面活性劑，以修飾去離子水中的多壁碳納米管（MWCNT）。將CNT在90℃加熱的PA12 粉末懸浮液中混合1h，然后冷卻至室溫。吸附有CNT的粉末可能會(huì)沉淀出來，以進(jìn)行進(jìn)一步過濾和干燥，通過調(diào)節(jié)MWCNT 的重量比來改變復(fù)合粉末的組成。

2 材料表征

為了表征復(fù)合粉末的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)，使用了場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（JSM–7600F，日本），電子束電壓為2～5kV。為了使用光學(xué)顯微鏡（Olympus DP72，美國(guó)）捕獲微觀結(jié)構(gòu)，需要對(duì)CNT/PA12 樣品進(jìn)行良好的拋光以進(jìn)行光學(xué)表征。

3 選擇性激光燒結(jié)

激光燒結(jié)復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)均通過配備CO2激光器（EOSP395，λ=10.6μm，激光功率高達(dá)50W，德國(guó)）?？紤]了包括激光掃描速度、粉末層厚和陰影空間在內(nèi)的參數(shù)，以優(yōu)化燒結(jié)復(fù)合材料的機(jī)械性能。通過EOSP395 系統(tǒng)中的參數(shù)設(shè)置，對(duì)優(yōu)化后的工藝進(jìn)行研究。冷卻至室溫之后處理完成。從機(jī)器中取出樣品，通過噴砂清理多余的粉末，并用壓縮空氣清理。拉伸和壓縮樣品分別按照ASTM 標(biāo)準(zhǔn)（D638 14 和D695 15）進(jìn)行打印。拋光了15mm×20mm×25mm 的立方試樣，以檢查其微觀結(jié)構(gòu)。

4 機(jī)械測(cè)試及評(píng)估

燒結(jié)復(fù)合材料的拉伸和壓縮性能是使用Instron 3360 負(fù)載框架（Instron，Norwood，MA）測(cè)量的。施加在樣品上的拉伸速率和壓縮速率分別為2mm/min 和0.5～4mm/min。每種材料的比拉伸韌性UT描述為：

式中，dε為應(yīng)力；σ(ε)是與應(yīng)變相對(duì)應(yīng)的拉伸應(yīng)力；εd是斷裂伸長(zhǎng)率；ρs是激光燒結(jié)復(fù)合材料的密度。

在具有10kN 稱重傳感器的Instron 3343 Universal 試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了拉脹晶格的壓縮試驗(yàn)，并且以6mm/min的相同位移速率固定了所施加的法向應(yīng)變。樣品拉伸性能是平均值。每個(gè)晶格的能量吸收能力W（MJ/m3）由公式（2）給出：

其中，εD是每個(gè)晶格在壓縮時(shí)的致密化應(yīng)變，并在具有最大吸收效率的應(yīng)變下確定，該結(jié)構(gòu)由式（3）給出：

當(dāng)達(dá)到最大吸收能量Emax時(shí)，可以獲得拉伸應(yīng)力σD和應(yīng)變?chǔ)臘。此后，如式（4）所述，通過比能量吸收Umax得出的單位質(zhì)量能量吸收的最優(yōu)值為：

其中，Wmax是通過能量吸收能力壓縮晶格時(shí)的最大能量吸收；ρ是晶格密度。

結(jié)果與討論

1 機(jī)械超材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

高性能納米復(fù)合材料與理想的三維結(jié)構(gòu)的匹配使人們既可以利用拉脹型超材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，又可以充分利用其能量吸收的潛力。本研究對(duì)碳納米管增強(qiáng)的納米復(fù)合粉末進(jìn)行激光燒結(jié)，以制備具有較高能量吸收能力的機(jī)械超材料，該材料超越了傳統(tǒng)的金屬隨機(jī)泡沫或先前報(bào)道的增材制造復(fù)合材料。如圖1所示，機(jī)械超材料的潛在優(yōu)勢(shì)需要通過增材制造工藝來實(shí)現(xiàn)。由于CNT 的網(wǎng)絡(luò)使連續(xù)基體韌性增加，使用納米復(fù)合材料制作的樣品表現(xiàn)出了良好的拉伸韌性和比能量吸收能力。結(jié)構(gòu)的可約拓?fù)湟詮澢蚯鸀橹?，其行為高度兼容，可用于能量吸收。通常情況下，當(dāng)盡可能多的結(jié)構(gòu)單元避免與荷載方向一致，同時(shí)保證足夠的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和力耗散時(shí)，結(jié)構(gòu)的耗能效率最高。這些拉脹晶格具有各向同性，并具有高度的結(jié)構(gòu)連通性，在靜態(tài)壓縮時(shí)表現(xiàn)出負(fù)泊松比和較大的幾何非線性。

圖1 CNT 的微觀結(jié)構(gòu)以及晶格的能量吸收性能Fig.1 Microstructure of CNT and energy absorption capacity of crystal lattice

聚酰胺（PA12）是當(dāng)前方法的良好試驗(yàn)原料，因?yàn)镻A11 和PA12 占據(jù)激光燒結(jié)熱塑性塑料90%的市場(chǎng)份額。激光燒結(jié)PA12 具有約45MPa 的拉伸強(qiáng)度和28%的斷裂伸長(zhǎng)率[23]。使用乳液沉積法，將平均粒徑為60μm的原料粉末（PA12）附著表面活化處理的CNTs，以確保CNT 在表面上均勻覆蓋[24]。激光燒結(jié)工藝的系統(tǒng)粉體評(píng)價(jià)和工藝優(yōu)化在本研究團(tuán)隊(duì)之前的工作中得到了證明[21，23]。碳納米管包覆的粉末可以有效吸收激光能量以促進(jìn)其熔融凝結(jié)以及在聚合物基體內(nèi)形成三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)。但是，由于表面CNT 膜的厚度與熔融復(fù)合材料的黏度之間存在正相關(guān)關(guān)系，覆膜加厚引起的熔體黏度增加可能會(huì)在短時(shí)間的激光照射下引起熔融障礙，從而阻止粉末的固結(jié)。所以，當(dāng)涂層既能有效地增強(qiáng)能量吸收又能保持足夠低的熔體黏度以保證復(fù)合材料熔體的快速熔融時(shí)，可以獲得最佳的負(fù)載比[25]。

2 不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的性能

為了獲得最佳的激光燒結(jié)CNT/PA12 復(fù)合材料的力學(xué)性能，在SLS系統(tǒng)中應(yīng)用了多種材料組合。將直徑范圍為20～40nm 或40～60nm 的CNT 作為原料涂覆在PA12 粉末上作為進(jìn)料材料。圖2所示為CNT的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能，在圖2（a）中，最佳的CNT/PA12 復(fù)合材料可以明顯改善機(jī)械性能，其中，楊氏模量E=（1301±14.5）MPa，極限抗拉強(qiáng)度σu=（68±2.6）MPa，斷裂伸長(zhǎng)率εf=（33±4）%，并且這些特性幾乎與粉末的方向無關(guān)。為了進(jìn)一步研究各向同性的強(qiáng)化和增韌機(jī)理，對(duì)燒結(jié)復(fù)合材料及其變形成分進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)表征。觀察結(jié)果表明，CNT網(wǎng)絡(luò)的均勻分布可以阻止分離的聚合物相的移動(dòng)，從而增強(qiáng)基質(zhì)（圖2（b））。另一方面，變形復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)表明，外力在微觀尺度上引起聚合物相的大變形。所得的CNT 網(wǎng)絡(luò)被密集地壓實(shí)，并保留在這些分段的邊界之間（圖2（c））。這種精細(xì)壓實(shí)的微觀結(jié)構(gòu)提供了一種適應(yīng)應(yīng)變的方法，從而防止了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，使基體堅(jiān)實(shí)[36–37]。但是，CNTs（20～40nm）的負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到1%會(huì)對(duì)聚合物基體的機(jī)械性能產(chǎn)生不利影響（圖2（a））。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的CNT（40～60nm）也會(huì)導(dǎo)致斷裂伸長(zhǎng)率從28%下降至24%。這主要是因?yàn)樵黾拥耐繉訒?huì)提高復(fù)合材料的熔融黏度，然后阻止熔融粉末的固結(jié)，不充分的融合會(huì)引起巨大的微觀缺陷或空洞，導(dǎo)致燒結(jié)復(fù)合材料的脆性破壞及其延展性的缺陷。因此，優(yōu)化復(fù)合材料配方和有效控制燒結(jié)過程是在不犧牲其楊氏模量的情況下增強(qiáng)CNT 納米復(fù)合材料強(qiáng)度和韌性的關(guān)鍵步驟。

圖2 CNT 的微觀結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能Fig.2 Microstructure and mechanical properties of CNT

優(yōu)化的CNT 增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械性能（如韌性、比能吸收率和延展性）不僅優(yōu)于純聚合物，而且還超過了許多廣泛使用的3D 打印材料，包括塑料、復(fù)合材料和合金（圖2（d））。在SLS 工藝中采用CNT 增強(qiáng)粉末，對(duì)工程化所需的組成和微觀結(jié)構(gòu)起了關(guān)鍵作用，從而使斷裂伸長(zhǎng)率提高了33%，比吸收率達(dá)到20.68J/g。相比之下，通過FDM 或直接添加的聚合物復(fù)合材料通常在聚合物相和微纖維之間存在界面缺陷和不可避免的空洞[29–30，38–40]。鋁和鈦合金通過SLM 和電子束熔化（Electron beam melting，EBM）均表現(xiàn)出斷裂伸長(zhǎng)率降低的特征，這與快速熔化固結(jié)過程中形成的缺陷和殘余應(yīng)力有關(guān)[25]。

此外，通過激光燒結(jié)納米復(fù)合材料制造可拉脹的超材料可能是一種有效的策略，可以實(shí)現(xiàn)將有益的機(jī)械性能植根于恒定的材料和結(jié)構(gòu)。拉脹型超材料由一系列球形殼組成，在空間上排列以形成晶體結(jié)構(gòu)。以體心立方模式組裝的空心球形塊由于高度的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性而具有很高的可壓縮性和變形性，可以通過更改殼體厚度、孔的數(shù)量和角度來進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。了解幾何形狀、機(jī)械性能和變形機(jī)制之間的關(guān)系至關(guān)重要，以便于計(jì)算出拉脹晶格允許的壓應(yīng)力和能量吸收能力（圖3）。

為確定三維結(jié)構(gòu)對(duì)能量吸收性能的影響，選擇6 孔（6H）和12 孔（12H）構(gòu)件來組裝BCC 模式，并調(diào)整殼厚度以更改絕對(duì)密度和相對(duì)密度。晶格分別為100～301kg/m3和9%～33%（圖3（a）），該密度范圍與氣凝膠、氧化鋁納米晶格和其他超輕材料的密度范圍相當(dāng)[16–17，41]。壓應(yīng)力–應(yīng)變曲線顯示了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)的變形和能量吸收（圖3（b）），曲線下的有色區(qū)域表示準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中結(jié)構(gòu)吸收的能量。復(fù)合材料的拉脹晶格存在競(jìng)爭(zhēng)失效機(jī)制，例如：材料斷裂、節(jié)點(diǎn)屈服、連接單元的整體（歐拉）屈曲以及單個(gè)構(gòu)件的局部（殼）屈曲，屈曲經(jīng)常先于材料斷裂發(fā)生。破壞機(jī)制可能在變形過程中發(fā)生改變，這取決于在加載過程中在球形殼體和旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)力狀態(tài)[26–28，31–35]。

對(duì)于BCC–6H 構(gòu)型，晶格（相對(duì)密度ρ*> 20%）發(fā)生彈性變形以達(dá)到屈曲或塑性開始，然后由于整體屈曲和后屈服，其壓縮應(yīng)力在應(yīng)力平穩(wěn)區(qū)域內(nèi)緩慢增加。由于連接處周圍殼體的廣泛旋轉(zhuǎn)，整個(gè)晶格承受較大的應(yīng)力引起有效壓縮應(yīng)變。通過彈性力學(xué)的有限元分析，揭示了這種屈曲的誘導(dǎo)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象和后屈曲效應(yīng)。隨著構(gòu)件厚度的減?。é?<20%），破壞機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)橛删植壳鲗?dǎo)的破壞行為，應(yīng)力–應(yīng)變曲線的波動(dòng)揭示了通過離散的層狀裂縫引起的漸進(jìn)形變（圖3（b）左圖）。

3 復(fù)合材料的能量吸收能力

對(duì)于BCC–12H 晶格受壓直到其致密化，壓應(yīng)力與應(yīng)變幾乎呈線性關(guān)系。相對(duì)密度在9.9%～33%的范圍內(nèi)，拉脹晶格具有顯著的應(yīng)變硬化效應(yīng)。有限元（FE）模擬揭示了BCC–12H 晶格的變形，整體屈曲起主導(dǎo)作用，引起了單個(gè)晶胞內(nèi)的整體旋轉(zhuǎn)以及分段旋轉(zhuǎn)。BCC–12H 結(jié)構(gòu)的競(jìng)爭(zhēng)失效機(jī)制包括整體屈曲、節(jié)點(diǎn)屈服和晶胞局部斷裂。每?jī)蓚€(gè)變形模式之間的過渡通常是由結(jié)構(gòu)屈曲和材料破壞之間的激烈競(jìng)爭(zhēng)驅(qū)動(dòng)的。在嚴(yán)重變形的代表單元中給出了應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)變局部化區(qū)域，以預(yù)測(cè)引發(fā)每一種破壞機(jī)制所需的應(yīng)力。在圖3（c）右圖中，當(dāng)網(wǎng)殼厚度接近臨界狀態(tài)時(shí)，一旦節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)裂紋，破壞模式將從整體屈曲過渡到單元內(nèi)的過度局部化斷裂。簡(jiǎn)而言之，本文發(fā)現(xiàn)整體屈曲效應(yīng)是引起拉脹的主要機(jī)制，主要受空心晶格行為的影響。在圖3（c）中，具有較高密度的BCC–6H 晶格與其他晶格相比，顯示出負(fù)泊松比效應(yīng)，這是十分關(guān)鍵的。它承受壓縮后的最大體積減小，以此來消散機(jī)械能，從而顯示出具有吸收能量的潛力。

圖3 不同類型晶格的結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能Fig.3 Structure and mechanical properties of different crystal lattice

古典泡沫理論允許使用Gibson和Ashby 的對(duì)應(yīng)關(guān)系來檢測(cè)控制失效機(jī)理[8]。圖4[4]所示為拉脹晶格的能量吸收性能，在圖4（a）和（b）中，繪制了單位體積的能量吸收σp/Es和拉脹復(fù)合材料單位體積的峰值應(yīng)力W/Es之間的關(guān)系圖。其中單位體積吸收的能量與外部壓縮或沖擊產(chǎn)生的峰值應(yīng)力相對(duì)應(yīng)。兩個(gè)軸均通過實(shí)體模量標(biāo)準(zhǔn)化。剛好接觸每條曲線的包絡(luò)線就可以確定在特定應(yīng)變率下泡沫的最佳選擇。這些圖是針對(duì)特殊應(yīng)用的能量吸收材料的選擇指南，這些材料要能夠控制應(yīng)力和能量吸收能力。針對(duì)給定的類別，最優(yōu)結(jié)果是在最大允許壓應(yīng)力σp下吸收最多的能量。每個(gè)晶格密度都有一個(gè)σp對(duì)應(yīng)于能量曲線上的肩部。此后，最佳的能量吸收遵循各個(gè)W–σp曲線的包絡(luò)線。對(duì)于泡沫結(jié)構(gòu)，能量吸收能力可以表示為致密化應(yīng)力σD和結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度的函數(shù)[8]。其中，A是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，Es、ρs、ρ和εD分別是楊氏模量、組成材料的密度、晶格的密度和晶格的致密化應(yīng)變。在圖4（a）和（b）中，包絡(luò)線為線性函數(shù)，可以表示為：

圖4 拉脹晶格的能量吸收性能Fig.4 Energy absorption performances of auxetic lattices

其中，B為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，η表示包絡(luò)線的斜率，該包絡(luò)線在每個(gè)σp=σD處對(duì)應(yīng)不同相對(duì)密度的復(fù)合材料。在致密化應(yīng)力的斜率η=1.01 時(shí)，BCC–12H 晶格遵循指數(shù)比例變化規(guī)律。這類似于在低應(yīng)力下具有η≈1 的以彎曲和屈曲為主的開孔彈性體隨機(jī)泡沫[8]。然而，隨著致密化應(yīng)力增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，η≈0.78 的BCC–6H 晶格表現(xiàn)出增量ΔW的下降趨勢(shì)。

BCC–6H 和BCC–12H 的拉脹晶格比例因子γ為3 和5/2。相比之下，橡膠和塑料的縮放系數(shù)只有2 和3/2[8]。這些拉脹晶格具有高度各向同性，因此能量吸收能力與晶格密度不受復(fù)合材料晶格方向變化的影響，這一點(diǎn)通過沿不同方向壓縮晶格可以證實(shí)。尤其是，BCC–6H 晶格表現(xiàn)出顯著的線性關(guān)系（γ=3），表明隨著晶格密度略微增加，能量吸收會(huì)顯著增加。與具有隨機(jī)孔隙分布的泡沫相比，拉脹復(fù)合材料的每個(gè)晶格都經(jīng)歷了較大的體積變形和收縮，從而引起了普遍的體積收縮，有效地吸收了外部能量。實(shí)際上，拉脹結(jié)構(gòu)的能量吸收能力也超過了蜂窩結(jié)構(gòu)（平面內(nèi)）、八角點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和金字塔形等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。這是因?yàn)槭軓澢蚶鞈?yīng)力支配的晶格由于其局部支撐斷裂或結(jié)構(gòu)塌陷，導(dǎo)致無法同時(shí)變形以承受較大的壓縮應(yīng)變[13]。

這項(xiàng)工作解釋了晶格的延展行為，并且探索了固有韌性納米復(fù)合材料組成的非線性塑性變形結(jié)構(gòu)。對(duì)于致密化應(yīng)變，BCC–6H 和BCC–12H 的拉脹晶格分別在0.13～6.29MJ/m3和0.18～2.55MJ/m3的范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的能量吸收能力。這些拉脹晶格的比能量吸收能力為1.6～20.42J/g，與鎳、氧化鋁納米晶格和鈦合金結(jié)構(gòu)相當(dāng)，并且超過了普通鋁合金材料和其他增材制造結(jié)構(gòu)。相比之下，輕質(zhì)鈦合金泡沫具有出色的性能，然而它們的制造方法（例如EBM、SLM 和激光熔覆）與目前用于輕型復(fù)合材料制造的方法（圖5[8，42–48]，這張圖將迄今為止的拉脹超材料與其他最先進(jìn)的金屬和復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較）價(jià)格昂貴且能耗高。目前，微立體光刻法和直接打印技術(shù)仍受到尺寸的限制，難以實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)的制作。總之，在諸如汽車和航空工業(yè)等領(lǐng)域中，激光燒結(jié)的拉脹復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是能量吸收率高且經(jīng)濟(jì)效益好。

圖5 單位體積能量吸收與密度的阿什比圖Fig.5 Ashby map of energy absorption per unit volume versus density

結(jié)論

（1）本文通過激光燒結(jié)復(fù)合材料工藝制備了機(jī)械超材料，有效地將材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)選擇結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了可控制的形狀轉(zhuǎn)換并且驗(yàn)證了其出色的能量吸收能力。

（2）激光燒結(jié)納米復(fù)合超材料的能量吸收性能既取決于結(jié)構(gòu)韌帶的變形機(jī)理，又取決于組成材料的微觀結(jié)構(gòu)。

（3）增材制造技術(shù)將高性能納米復(fù)合材料與晶體的設(shè)計(jì)相結(jié)合，可以用于緩沖、防沖擊、防爆以及包裝等應(yīng)用領(lǐng)域。

（4）復(fù)合材料超材料由于其膨脹變形、可控制行為、高可預(yù)測(cè)性以及出色的能量吸收能力，在航空航天和軍事等行業(yè)中具有巨大應(yīng)用潛力。