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力学超构材料的结构设计与增材制造的研究进

发布时间:2024/5/30 11:34:57   

本文选自中国工程院院刊《Engineering》年第10期

作者:卢晨曦,MengtingHsieh,黄志锋,张驰,林耀军,沈强,陈斐,张联盟

来源:ArchitecturalDesignandAdditiveManufacturingofMechanicalMetamaterials:AReview[J].Engineering,,17(10):44-63.

编者按

力学超构材料是指具有自然界中没有的奇异力学性能的人造材料,其独特性能来自特殊设计的代表性单元的拓扑结构,而不是来自其组成材料的固有属性,广泛应用于拉胀纺织品、拉胀钉、智能过滤器、减振器以及各种保护装置。增材制造技术能够制造具有高精度、极其复杂和高特征保真度的微尺度结构,使力学超构材料的快速发展成为可能,并显著降低设计计算和实验验证周期,有利于新的力学超构材料理念的实现。

中国工程院张联盟院士研究团队在中国工程院院刊《Engineering》年第10期发表《力学超构材料的结构设计与增材制造研究进展》一文。基于力学超构材料所需的力学性能,文章详细回顾了力学超构材料结构设计中的各种拓扑结构,包括刚度、强度和负泊松比超构材料,总结了能够制造力学超构材料的增材制造技术,讨论了目前面临的挑战。文章指出,面对新兴力学超构材料的挑战,未来的研究方向有多层级设计、不稳定和非线性设计、动态响应、多材料四维打印、机器学习等。

一、引言

“超构材料”一词最初专门用于指代在电磁学和光学领域中操纵电磁波的工程材料。然而,最近,该术语已扩展到操纵声波和弹性波的材料,并被发现表现出奇异和卓越的机械性能,现在被称为“力学超构材料”。拉胀材料作为最早的力学超构材料之一,是人工设计的具有负泊松比(NPR,υ0)的材料。力学超构材料是具有自然界中没有的奇异力学特性的人造材料,它们的独特属性主要来自特殊设计的代表性单元的拓扑结构,而不是来自其组成材料的固有属性。力学超构材料通常是通过周期性的代表性单元(也称为“晶胞”)来构建的。通过代表性单元的结构设计,可以获得各种不同寻常的机械性能,如NPR、高比刚度、剪切模量、负刚度和负压缩性。由于其非凡的机械性能,力学超构材料已被研究用于广泛的应用,从拉胀纺织品和拉胀钉到智能过滤器、减振器,以及各种保护装置。然而,这些特性通常需要复杂的三维(3D)拓扑结构和较小的特征尺寸,这也使得通过传统制造技术实现这些特性成为一项挑战。

随着增材制造(AM)技术的快速发展,该技术实现了成型精度、几何形状和特征尺寸的高精度控制,正是增材制造技术的特性,使它成为制造力学超构材料的可行方法。尽管已有许多关于增材制造超构材料的研究,但增材制造技术仍处于起步阶段,有各种技术挑战需要克服。因此,有必要全面地了解拓扑结构及其相关的AM技术,并从中找到新的机会来改善超构材料设计与制造之间的协同作用。

超构材料和AM的结合产生的变革性可以导致力学超构材料的下一次发展,最近发表的许多研究已经注意到这一点。同时也有一些关于力学超构材料的优秀综述文章;然而,这些综述文章仅侧重于轻质晶格点阵、拉胀结构、成型制造、结构设计和应用。因此,有必要从结构和性能之间的关系以及有关力学超构材料的先进增材制造技术的最新进展方面对力学超构材料进行全面综述。本文基于这一需求,总结了对这一领域蓬勃的发展至关重要的挑战和机遇。尽管力学超构材料具有许多特性,包括超轻、超高强度和刚度、负泊松比、负刚度、非线性行为和五模超构材料,但大多数是通过设计周期性的二维(2D)或三维(3D)结构单元实现的。基于一般性出发,本文没有具体论述超构材料的所有特性,我们将重点涉及近5年发展和应用迅速的轻质超强材料和拉胀材料。相应地,我们将讨论适用于实现新型超构材料的新兴AM技术。

二、力学超构材料的结构设计

本节主要

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