Advanced Engineering Materials: 力学超材料及其工程应用

随着先进制造尤其是跨尺度高精度3D打印技术的迅猛发展,基于力学设计以及微纳3D打印技术的力学超材料已引起学术界和工程界的广泛关注。这是由于力学超材料能够将材料学上的尺寸效应(基于经典的Hall–Petch理论,亚微米材料尺寸越小,强度越大)和力学几何拓扑进行结构和功能上耦合从而设计和制备出超轻、超强、超韧的结构件,从而在轻质材料、负泊松比材料、电极框架乃至生物支架等方面有着巨大的工程应用潜力。另一方面,整体结构层级化、材料属性梯度化、功能结构一体化、结构多功能化已成为结构材料的新的重要发展方向。借助最新微纳3D打印制造工艺,突破传统材料和设计的 “极限” ,研发整体化、轻量化、低成本的高性能新结构超材料已成为新一代重大/高端装备与结构研制的迫切需求。但是,如何进一步将拓扑优化(先进的设计工具)、新材料研发的进展(先进的材料)与新型3D打印技术(先进的制造工具)有机结合仍将是未来研究的热点和重点。

最近,香港城市大学机械工程系陆洋课题组和麻省理工学院机械工程系的方绚莱课题组针对力学超材料领域过去数年的发展和近期研究进展进行了系统而详细的梳理。对过去十年中具有较大突破的拓扑设计理念,先进的3D打印制造方法和独特的工程应用进行了全面的概述。他们不仅确定了各类力学超材料背后的核心设计理论,更是在此基础上进一步提出如何将这些设计理论进行有机结合以定向设计来调控材料的性质和行为,从而实现结构超材料的“需求-设计-制备”的一体化,实现从“选择材料”到“创造材料”。总体而言,这一概述有望能够为这一新兴领域的研究人员和工程技术人员提供有关力学超材料领域的基础原理和最新进展的知识,并为目前最有希望在工业应用上率先实现突破、发展和应用的具体方向提供了见解。

图1: 力学超材料图解摘要

相关论文以题为“Mechanical Metamaterials and Their Engineering Applications”发表在Advanced Engineering Materials (DOI: 10.1002/adem.201800864)上,并入选了Advanced Engineering Materials的HALL OF FAME文章系列。