通过素材“尺寸效应”实现对微纳3D打印构造的力学性能调控

做者

张文强，叶海涛，冯骁斌，周文钊，曹可，李茂源，范素峰，陆洋

单元

香港城市大学，香港城市大学深圳研究院，华中科技大学等

Citation

Zhang W Q, Ye H T, Feng X B, et al. Tailoring mechanical properties of PμSL 3D-printed structures via size effect. Int. J. Extrem. Manuf. 4 045201(2022).

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撰稿 | 做者

以面投影微立体光刻(PμSL)为例，目前高精度光固化三维(3D)打印已经被普遍利用于快速造造具备微纳特征尺寸的高辨认率聚合物模板构造，用于规模化成形造造特征尺寸小至几微米以至百纳米级此外定造化3D微晶格（microlattice）机械超素材(mechanical metamaterials)。然而，聚合物3D打印件单位的本征力学性能在相关对应的标准上尚没有系统的力学特征研究。特殊是当超素材构造件的特征尺寸进进微米/亚微米级别时，欠缺对其弹塑性在对应特征尺寸下的底子理解，将大大限造了其在微/纳米晶格（microlattice/nanolattice）和其他多功用构造超素材(structural metamaterials)利用中的性能评估和可靠利用。然而，受限于目前的微纳标准力学表征的手艺困难，相关研究尚处于起步阶段。

近期，香港城市大学机械工程系的陆洋传授及其协做团队在造造范畴的顶尖期刊《极端造造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上颁发《Tailoring Mechanical Properties of PμSL 3D-Printed Structures via Size Effect》的研究文章，基于尝试室客造化的原位微纳米力学尝试平台，在光镜下和电镜里，系统研究了PμSL 3D打印聚合物构造单位的“尺寸效应”。研究发现，在特征尺寸（单位杆曲径）从20 μm到60 μm范畴内，PμSL打印的聚合物微纤维强度与韧性显著进步，表示出明显的尺寸相关的力学行为。而当特征尺寸减小到20 μm，断裂应变高达~100%，断裂强度高达~100 MPa。那种三维光固化打印聚合物的显著“尺寸效应”能够使得PμSL打印微晶格的素材强度和刚度能够在更大范畴内停止设想与调控，从而使造备的微晶格机械超素材具有加强的/可调的力学性能，或做为模板根据特定用处优化，并适用于各类构造和多功用利用。

图 1 PμSL 打印（nanoArch P130,摩方精巧）的聚合物微纤维样品的造备与原位力学表征

图2 PμSL 打印聚合物微纤维的尺寸相关力学性能及其机造

连系PμSL 打印聚合物的尺寸效应，做者设想并造备出具有不异几何外形、相对密度，差别杆尺寸的微晶格构造。成果表白，杆尺寸为20 μm的微晶格模量为~87MPa，是杆尺寸为60μm的微晶格模量(~43 MPa)的两倍；当晶格让步后，杆尺寸为20 μm的微晶格应力随应变陆续增大，表示出应变硬化特征，而杆尺寸为60 μm的微晶格表示出典型脆性素材应力应变曲线。那也提醒我们在设想微晶格超素材时应该重点考虑聚合物杆构造尺寸。那一成果也为使微晶格单位的素材强度和刚度在很大范畴内能够按需调控，为新型微/纳米晶格力学超素材的合理设想和优化供给了根底。

图3 通过构造单位“尺寸效应”来调控微晶格力学超素材构造的整体力学性能

该项功效获得了深圳市科创委根底研究项目、长沙科技局项目及香港城市大学研究项目经费撑持。

做者团队简介：

第一做者：

张文强，香港城市大学机械工程学系博士结业生，香港城市大学深圳研究院纳米造造尝试室(NML)博士后。

通信做者：

李茂源，华中科技大学素材学院博士后，香港城市大学拜候学者；

陆洋，香港城市大学机械工程学系传授，素材科学与工程学系兼职传授，香港城市大学深圳研究院纳米造造尝试室(NML)主任。

团队主页: 香港城市大学纳米造造尝试室

来源：极端造造 IJEM

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