近年來(lái)，結構化材料通過(guò)其胞元結構的設計展現出許多優(yōu)異的性能，如：超高剛度、超高強度、負泊松比、負熱膨脹等等，因此被廣泛地應用到航空航天、醫療器械、能源工程以及電子技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。然而，現階段多數結構化材料都由同一胞元的周期性排列構成，從而導致單一的同質(zhì)變形響應，并將性能限制在較小的范圍內。因此，深入挖掘異質(zhì)組裝在性能提升方面的巨大潛力，通過(guò)開(kāi)發(fā)不同胞元的多種空間排列策略來(lái)獲取更加優(yōu)異的性能，這一研究方向有著(zhù)重要的學(xué)術(shù)和應用價(jià)值。

近日，西安交通大學(xué)的洪軍/李寶童課題組通過(guò)對巨量高精度性能數據的分析（共選取了由各種性能迥異胞元組裝形成的745752類(lèi)材料），發(fā)現了一種正負泊松比胞元的異質(zhì)組裝使力學(xué)性能（這里指楊氏模量和泊松比）顯著(zhù)增強的現象（在不增加材料用量的情況下，楊氏模量增強了超過(guò)兩個(gè)數量級）。受該現象啟發(fā)，研究團隊經(jīng)過(guò)嚴謹的數學(xué)公式推導，建立了一種精準計算力學(xué)性能的理論模型，并基于模型進(jìn)一步提出了用于獲取可編程極限性能的幾何設計準則。通過(guò)應用這些準則，得到了具有現階段很接近楊氏模量理論極限的幾何結構。與此同時(shí)，性能的可編程特性可以通過(guò)調整胞元的數量比例來(lái)實(shí)現。最后，利用數值仿真、理論計算和精密試驗等多種方法對這種顯著(zhù)的性能增強效應進(jìn)行了全面驗證。團隊采用摩方精密microArch®S240（精度：10μm）3D打印設備，完成了在楊氏模量上具有兩個(gè)數量級以上增強效果的材料樣件的制備，并實(shí)現了樣件在長(cháng)度尺度上由微米尺度到宏觀(guān)尺度的跨越。

團隊提出的準則通過(guò)對基礎胞元的篩選和空間布局的組裝使原本性能普通的胞元發(fā)揮出近乎極限的力學(xué)性能，進(jìn)而構建出一條通往楊氏模量和泊松比理論極限的“橋梁"。此外，這些篩選和組裝準則的核心是針對胞元的力學(xué)性能，對其拓撲、形狀和大小并沒(méi)有約束。因此，該準則為極限力學(xué)性能的幾何設計提供了更大的空間，極大增加了結構化材料的應用價(jià)值。

相關(guān)研究成果以"Design criteria for architected materials with programmable mechanical properties within theoretical limit ranges"為題發(fā)表在期刊《Advanced Science》上，西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院尹鵬博士研究生為第一作者，西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院洪軍教授、李寶童教授、陳小明教授為共同通訊作者，該工作得到了國家自然科學(xué)基金委的大力支持。