作為一種新興的力學(xué)超材料，三維微納米點(diǎn)陣材料具有低密度、高模量、高強度、高能量吸收率和良好的可恢復性等優(yōu)異的力學(xué)性能，極大地拓展了已有材料的性能空間。如何通過(guò)拓撲結構設計獲得具有優(yōu)異力學(xué)性能的三維微納米點(diǎn)陣材料是固體力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。微納米點(diǎn)陣材料通常由具有特定結構的單胞在三維空間中周期陣列形成。根據組成單胞的基本元素的種類(lèi)，可以將三維微納米點(diǎn)陣材料分為基于桁架（truss）、平板（plate）和曲殼（shell）三種類(lèi)型。目前，基于桁架的微納米點(diǎn)陣材料已經(jīng)表現出良好的力學(xué)性能，但其節點(diǎn)處的應力集中限制了其力學(xué)性能的進(jìn)一步提升。近年來(lái)的研究表明，基于平板的微納米點(diǎn)陣材料可以達到各向同性多孔材料楊氏模量的理論上限，然而其閉口的結構特點(diǎn)為其通過(guò)增材制造的手段進(jìn)行制備帶來(lái)了挑戰。相比之下，具有光滑、連續、開(kāi)口特點(diǎn)的曲殼結構則在構筑具有優(yōu)異力學(xué)性能的微納米點(diǎn)陣材料方面具有天然的優(yōu)勢。

近期，清華大學(xué)李曉雁教授課題組采用面投影微立體光刻設備（microArch S240，摩方精密BMF）制備了特征尺寸在幾十至幾百微米量級的多種桁架、平板和曲殼微米點(diǎn)陣材料。所研究的結構包括Octet型和Iso型兩種桁架結構、cubic+octet平板結構以及Schwarz P、I-WP和Neovius三種極小曲面結構。其中，cubic+octet平板結構是早先研究報道的能夠達到各向同性多孔材料楊氏模量理論上限的平板結構。

該團隊通過(guò)原位壓縮力學(xué)測試研究并對比了多種不同結構的微米點(diǎn)陣材料的變形特點(diǎn)和力學(xué)性能。結果表明，相對密度較大時(shí)，I-WP和Neovius曲殼微米點(diǎn)陣材料與cubic+octet平板點(diǎn)陣材料類(lèi)似，在壓縮過(guò)程中呈現均勻的變形特點(diǎn)。而Octet型和Iso型兩種桁架點(diǎn)陣則在壓縮過(guò)程中形成明顯的剪切帶，發(fā)生變形局域化。相應地，I-WP和Neovius兩種曲殼點(diǎn)陣和cubic+octet平板點(diǎn)陣具有比桁架點(diǎn)陣更高的楊氏模量和屈服強度，這與有限元模擬的結果一致。有限元模擬同時(shí)揭示了曲殼和平板單胞具有優(yōu)異力學(xué)性能的原因在于其在壓縮過(guò)程中具有更均勻的應變能分布，而桁架單胞節點(diǎn)處存在明顯的應力集中，其節點(diǎn)處及豎直承重桿件的局部應變能甚至可以達到整體結構平均應變能的四倍以上。該研究表明，基于極小曲面的點(diǎn)陣材料能夠表現出比傳統的桁架點(diǎn)陣材料更為優(yōu)異的力學(xué)性能，同時(shí)其光滑、連續、無(wú)自相交區域的特點(diǎn)使得其在構筑結構功能一體化的微納米材料方面具有重要的應用前景。

圖1. (A-F) 多種桁架、平板及曲殼單胞結構；(G-L)采用面投影微立體光刻技術(shù)制備的多種不同結構的聚合物微米點(diǎn)陣材料

圖2. 利用面投影微立體光刻技術(shù)制備的聚合物微米點(diǎn)陣材料原位壓縮力學(xué)測試結果。(A-F)工程應力-應變曲線(xiàn)；(G-L)不同結構的點(diǎn)陣材料在加載過(guò)程中的典型圖像（標尺為2 mm）

圖3. 周期邊界條件下不同單胞結構單軸壓縮的有限元模擬結果。（A-B）歸一化楊氏模量和屈服強度隨相對密度的變化；（C-H）不同單胞結構的應變能分布