作者

張文強，葉海濤，馮驍斌，周文釗，曹可，李茂源，范素峰，陸洋

單位

香港城市大學(xué)，香港城市大學(xué)深圳研究院，華中科技大學(xué)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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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac93c2

撰稿 | 作者

以面投影微立體光刻(PμSL)為例，目前高精度光固化三維(3D)打印已經(jīng)被廣泛應用于快速制造具備微納特征尺寸的高分辨率聚合物模板結構，用于規?；尚沃圃焯卣鞒叽缧≈翈孜⒚咨踔涟偌{米級別的定制化3D微晶格（microlattice）機械超材料(mechanical metamaterials)。然而，聚合物3D打印件單元的本征力學(xué)性能在相關(guān)對應的尺度上尚沒(méi)有系統的力學(xué)特性研究。特別是當超材料結構件的特征尺寸進(jìn)入微米/亞微米級別時(shí)，缺乏對其彈塑性在對應特征尺寸下的根本理解，將大大限制了其在微/納米晶格（microlattice/nanolattice）和其他多功能結構超材料(structural metamaterials)應用中的性能評估和可靠應用。然而，受限于目前的微納尺度力學(xué)表征的技術(shù)困難，相關(guān)研究尚處于起步階段。

近期，香港城市大學(xué)機械工程系的陸洋教授及其合作團隊在制造領(lǐng)域的頂尖期刊《極.端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發(fā)表《Tailoring Mechanical Properties of PμSL 3D-Printed Structures via Size Effect》的研究文章，基于實(shí)驗室客制化的原位微納米力學(xué)實(shí)驗平臺，在光鏡下和電鏡里，系統研究了PμSL 3D打印聚合物結構單元的“尺寸效應"。研究發(fā)現，在特征尺寸（單元桿直徑）從20 μm到60 μm范圍內，PμSL打印的聚合物微纖維強度與韌性顯著(zhù)提高，表現出明顯的尺寸相關(guān)的力學(xué)行為。而當特征尺寸減小到20 μm，斷裂應變高達~100%，斷裂強度高達~100 MPa。這種三維光固化打印聚合物的顯著(zhù)“尺寸效應"可以使得PμSL打印微晶格的材料強度和剛度可以在更大范圍內進(jìn)行設計與調控，從而使制備的微晶格機械超材料具有增強的/可調的力學(xué)性能，或作為模板按照特定用途優(yōu)化，并適用于各種結構和多功能應用。

圖 1 PμSL 打?。╪anoArch P130,摩方精密）的聚合物微纖維樣品的制備與原位力學(xué)表征

圖2 PμSL 打印聚合物微纖維的尺寸相關(guān)力學(xué)性能及其機制

結合PμSL 打印聚合物的尺寸效應，作者設計并制備出具有相同幾何形狀、相對密度，不同桿尺寸的微晶格結構。結果表明，桿尺寸為20 μm的微晶格模量為~87MPa，是桿尺寸為60μm的微晶格模量(~43 MPa)的兩倍；當晶格屈服后，桿尺寸為20 μm的微晶格應力隨應變繼續增大，表現出應變硬化特征，而桿尺寸為60 μm的微晶格表現出典型脆性材料應力應變曲線(xiàn)。這也提醒我們在設計微晶格超材料時(shí)應該重點(diǎn)考慮聚合物桿結構尺寸。這一結果也為使微晶格單元的材料強度和剛度在很大范圍內可以按需調控，為新型微/納米晶格力學(xué)超材料的合理設計和優(yōu)化提供了基礎。

圖3 通過(guò)結構單元“尺寸效應"來(lái)調控微晶格力學(xué)超材料結構的整體力學(xué)性能

該項成果獲得了深圳市科創(chuàng )委基礎研究項目、長(cháng)沙科技局項目及香港城市大學(xué)研究項目經(jīng)費支持。

作者團隊簡(jiǎn)介：

第一作者：

張文強，香港城市大學(xué)機械工程學(xué)系博士畢業(yè)生，香港城市大學(xué)深圳研究院納米制造實(shí)驗室(NML)博士后。

通訊作者：

李茂源，華中科技大學(xué)材料學(xué)院博士后，香港城市大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者； 

陸洋，香港城市大學(xué)機械工程學(xué)系教授，材料科學(xué)與工程學(xué)系兼職教授，香港城市大學(xué)深圳研究院納米制造實(shí)驗室(NML)主任。

團隊主頁(yè): 香港城市大學(xué)納米制造實(shí)驗室 http://sri.cityu.edu.hk/sri/htm/RD_centers_nanofabricating.asp

來(lái)源：極.端制造 IJEM