综述：力学/机械超材料研究进展- 大数跨境

两江科技评论

2019-02-02

导读：近期香港城市大学（CityU）陆洋课题组和麻省理工学院（MIT）的方绚莱课题组对力学/机械超材料领域过去几年的发展和最新研究进展进行了系统而详细的梳理。

背景

随着增材制造尤其是微纳3D打印技术的迅猛发展，基于高精度跨尺度3D打印的力学/机械超材料已引起学术界的广泛关注。这是由于力学/机械超材料能够将物理学上的尺寸效应（即越小越强）和数学几何拓扑进行结构和功能上耦合从而制备出超轻、超强、超韧甚至具备非常规力学行为的结构件，从而在轻质结构材料、电极框架乃至生物心脏支架等方面有着巨大的应用潜力。目前在该领域，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新结构与材料的重要发展方向。借助微纳3D打印制造工艺，突破传统设计“极限”，研发整体化、轻量化、低成本的高性能新结构和材料是新一代重大/高端装备与结构研制的迫切需求。但是，如何将拓扑优化（先进的设计工具）与3D打印技术（先进的制造工具）有机结合仍是未来研究的热点和重点。

创新研究

鉴于此，近期香港城市大学（CityU）陆洋课题组和麻省理工学院（MIT）的方绚莱课题组对力学/机械超材料领域过去几年的发展和最新研究进展进行了系统而详细的梳理（原文题为：Mechanical Metamaterials and Their Engineering Applications 发表于近期Advanced Engineering Materials）。对过去十年中具有较大突破的拓扑设计理念，先进的微加工技术结合跨尺度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/机械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，这一概述希望能够为这一新兴领域的研究人员，特别是工程领域的从业者提供有关力学/机械超材料领域的基本原理和最新研究发展的知识，提供最有希望在工业应用上实现突破、发展和应用的具体方向。

图1. 力学/机械超材料类别与性质

而作为力学/机械超材料的重要一员，微格金属结构(micro/nano-lattice)具有柔性好、密度低、无需切削加工、制备效率高、孔隙率高、抗冲击能量力强等优点，是一种性能优异的多功能工程材料，但如何实现强度和韧性兼容且具有性能可调控性一直是一个棘手难题。有鉴于此，此前陆洋团队等人提出结合新兴的高熵合金与微纳打印的超构材料工作以解决了这些难题，并于2018年1月在Advanced Engineering Materials杂志以封面文章刊出（原文题为High-Entropy Alloy-Coated Nanolattice Structures）。众所众知，高熵合金作为一种新兴的多主元材料凭借着其在机械、耐低温，耐腐蚀、耐磨损、抗辐照、低温等方面表现出的优异性能曾被评为“最具潜力的20大新材料”之一，而香港城市大学是高熵合金研究的一大重镇。为此，陆洋团队与合作者利用先进的双光子3D打印技术制备了最小特征单元在纳米级别的微格结构，然后利用物理气相沉积溅镀高熵合金纳米薄膜，首次在微纳尺度制备出高熵合金复合三维点阵结构，开创了设计和制造具有可调节机械性能的结构化金属微格超材料的新途径。

图2.高熵合金复合三维微格超材料

该系列工作依托于香港城市大学深圳研究院微纳制造实验室(Nano-Manufacturing Lab)完成, 由城大机械工程学系陆洋副教授/研究员担任主任，实验室配备两台先进的微纳米尺度高精度3D打印机及原位结构及力学表征设备，致力于微纳尺度先进制造，特别是仿生多级结构设计，多级3D打印，以及轻质高强复合材料和力学超材料的研究。自成立以来，研究团队承担了国家和市级多项研发项目，特别是得到了深圳市科创委学科布局项目的大力支持，并于近期成立了香港城大-西安电子科大微纳制造联合实验室。自2017年成立以来，已发表一系列高水平论文，并不断尝试自身研究成果的商业转化和应用。实验室力争为业界打造高精度微纳制造平台，不断为力学/机械超材料领域探索先进的技术和知识。实验室期待与海内外研究机构和企业加强合作，共同为促进国家，特别是大湾区的相关产业与科技发展而努力。同时欢迎志同道合的人加入成为其中的一员（目前招收具有固体力学和材料学背景，高分子背景的博士后，博士生，以及研究助理；联系邮箱：陆洋 yanglu@cityu.edu.hk高立波 lbgao@xidian.edu.cn）。