超轻3D打印部件显示出非凡的强度

该材料是由劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)和麻省理工学院(MIT)的团队开发的科学．

这篇题为“超轻、超tiff机械超材料”的文章描述了该团队开发的微结构超材料——具有自然界中不存在的特性的人造材料——即使在超低密度下也能保持几乎恒定的单位质量密度刚度。具有这些特性的材料有一天可能被用于开发飞机、汽车和太空飞行器的零部件。

根据LLNL的说法，大多数轻质胞状材料的力学性能随着密度的降低而大幅退化，因为它们的结构元素更有可能在施加的载荷下弯曲。然而，据说该团队的超材料在密度上表现出超过三个数量级的超刚性特性。

LLNL工程师Xiaoyu ' Rayne ' Zheng在一份声明中说:“这些轻质材料可以承受至少16万倍于自身重量的载荷。这种超高刚度的关键在于，这种材料中的所有微观结构元素都被设计成过度约束，在施加载荷下不会弯曲。”

根据研究团队的发现，观察到的高刚度被证明适用于聚合物、金属和陶瓷等多种成分的材料。

领导联合研究团队的LLNL工程师克里斯·斯帕达奇尼(Chris Spadaccini)说:“我们的微建筑材料的性能是由它们在微观尺度上的几何布局决定的，而不是由化学成分决定的。”“我们用投影微立体光刻技术制作了这些材料。”

这种添加剂微制造工艺包括使用微镜显示芯片，从光敏给料材料一次生成一层高保真3D部件。它允许团队快速生成具有复杂3D微尺度几何形状的材料，否则具有挑战性，在某些情况下，不可能制造。

麻省理工学院教授、合作者尼古拉斯·方(Nicholas Fang)说:“现在我们可以用台式电脑打印出坚硬而有弹性的材料。”“这使我们能够快速制作出许多样品，并观察它们的机械性能。”

该团队能够用聚合物、金属和陶瓷构建微晶格;使用聚合物作为模板来制造微晶格，然后在微晶格上涂上一层200到500纳米厚的金属薄膜。然后热去除聚合物核心，留下空心管金属支柱，从而得到超轻金属晶格材料。

斯帕达奇尼说:“通过制造这些薄膜空心管，我们制造了一种极轻的材料。”“但这一切都是由原始的聚合物模板结构实现的。”

研究小组用聚合物微晶格重复了这一过程，但他们没有用金属涂层，而是用陶瓷制成了约50纳米厚的薄膜涂层。这种陶瓷微建筑材料的密度与气凝胶相似。

“它是世界上最轻的材料之一，”斯帕达奇尼说。“然而，由于其微架构布局，在相同密度下，它的刚度比气凝胶高4个数量级。”

最后，该团队使用稍微不同的工艺生产了第三种超刚性微建筑材料。他们用陶瓷纳米颗粒装载聚合物，以构建聚合物-陶瓷混合微晶格。聚合物被热去除，使陶瓷颗粒致密成固体。这种新型固体陶瓷材料也表现出类似的强度和刚度特性。

斯帕达奇尼说:“我们利用我们的添加剂微制造技术，利用聚合物、金属和陶瓷等多种基本材料成分，制造出具有前所未有的性能组合的机械超材料。”